Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг
Рис. 7.2. та 7.3.
Властивість незменшення площі чорної діри була вельми схожа на поведінку однієї фізичної величини — ентропії, що являє собою міру безладу системи. Ми знаємо з власного досвіду: якщо все залишити, як є, то безлад дедалі зростатиме. (Варто лише перестати робити вдома ремонт, щоб це побачити!) З безладу можна створити лад (наприклад, пофарбувати будинок), але це потребує витрат сили та енергії й тому зменшує кількість наявної впорядкованої енергії.
Точне формулювання цієї ідеї відоме як другий закон термодинаміки. Він стверджує, що ентропія ізольованої системи завжди зростає, і що коли дві системи з’єднати разом, то ентропія об’єднаної системи буде більша за суму ентропій окремих систем. Наприклад, розглянемо систему молекул газу в коробці. Молекули можна розглядати як маленькі більярдні кулі, що постійно зіштовхуються одна з одною і відбиваються від стінок коробки. Що вища температура газу, то швидше рухаються молекули; а тому вони частіше і сильніше вдаряються об стінки і чинять на них зсередини більший тиск. Припустімо, що спочатку всі молекули за перегородкою в лівій частині коробки. Якщо перегородку забрати, то молекули розлетяться і заповнять обидві половинки коробки. Згодом усі вони випадково могли б опинитись у правій чи знову лівій половині, проте куди ймовірніше, що в обох частинах молекул буде приблизно порівну. Такий стан менш упорядкований, або ж невпорядкованіший, ніж початковий, коли всі молекули були в одній половині. Тому кажуть, що ентропія газу зросла. А тепер припустимо, що в нас є дві коробки: одна з молекулами кисню, а інша — з молекулами азоту. Якщо об’єднати коробки і зняти перегородку, молекули кисню та азоту почнуть змішуватися. Пізніше найімовірнішим станом буде досить однорідна суміш цих молекул в обох коробках. Цей стан буде менш впорядкований, тобто матиме більшу ентропію, ніж початковий стан двох окремих коробок.
Другий закон термодинаміки має трохи інший статус, ніж інші закони науки, як-от Ньютонів закон тяжіння, бо він не завжди виконується, а тільки в значній більшості випадків. Ймовірність того, що всі молекули газу в нашій першій коробці згодом перебуватимуть в одній її половині, — одиниця поділена на багато мільйонів мільйонів, але це може статися. Однак якщо поблизу чорна діра, то, видається, є досить простий спосіб порушити другий закон: просто викинути в неї якусь речовину з великою ентропією, наприклад коробку з газом. Загальна ентропія речовини ззовні від чорної діри зменшиться. Звичайно, можна сказати, що повна ентропія, разом з ентропією всередині чорної діри, не зменшилась — але ми не можемо зазирнути всередину чорної діри, а отже й побачити, скільки ентропії в тамтешній речовині. Було б чудово, якби чорна діра мала якусь властивість, за якою зовнішні спостерігачі могли б визначити її ентропію, і яка б зростала щоразу, як у неї падала б речовина з ентропією. Після описаного вище відкриття, що площа горизонту подій збільшується щоразу, як у чорну діру падає речовина, аспірант із Принстона Джейкоб Бекенштайн висунув пропозицію, що міра ентропії чорної діри — площа горизонту подій. Коли речовина з ентропією падає в чорну діру, площа горизонту подій зростає, тому сума ентропії речовини поза чорними дірами та площі горизонтів ніколи не зменшується.
Здавалось, що ця пропозиція у більшості випадків запобігає порушенню другого закону термодинаміки. Однак вона мала один неусувний недолік. Якщо чорна діра має ентропію, то мусить мати і температуру. Але тіло з якоюсь окремою температурою має випускати проміння з певною інтенсивністю. Всі знають, що якщо нагріти на вогні коцюбу, вона розжевріється і випромінюватиме, проте тіла з нижчою температурою також виділяють проміння; ми зазвичай цього не помічаємо, бо дуже мала його кількість. Це випромінювання необхідне для того, щоб не порушувався другий закон. Отож чорні діри мусять випромінювати. Але за своїм означенням чорні діри — це об’єкти, що не допускають, щоб щось випромінювалось. Тому здавалося, що площу горизонту подій чорної діри не можна розглядати як її ентропію. 1972 року Брендон Картер, мій американський колега Джим Бардин і я написали статтю, в якій вказали, що хоча між ентропією та площею горизонту подій багато схожості, очевидно, є згадана неусувна складність. Мушу зізнатися, що до написання статті мене почасти спонукало роздратування через Бекенштайна, який, на мою думку, неправильно застосував моє відкриття про те, що площа горизонту подій збільшується. Утім зрештою виявилося, що він таки по суті мав рацію, хоч і в спосіб, який він, напевне, й не уявляв.
У вересні 1973 року, бувши у Москві, я обговорював чорні діри з двома провідними радянськими фахівцями — Яковом Зельдовічем і Александром Старобінським. Вони переконували мене, що згідно з принципом невизначеності квантової механіки, обертові чорні діри повинні створювати і випромінювати частинки. Я повірив їхнім аргументам на основі фізичних міркувань, але мені не сподобався математичний спосіб, яким вони розраховували випромінювання. Тому я взявся розробити кращий математичний підхід, що його описав на неформальному семінарі в Оксфорді наприкінці листопада 1973 року. Тоді я ще не провів розрахунків, як багато насправді випромінюється. Я очікував виявити тільки те випромінювання, що його передбачили Зельдович і Старобінський для обертових чорних дір. Але коли я провів розрахунки, то, на свій подив і досаду, знайшов, що навіть необертові чорні діри мають, вочевидь, створювати та випромінювати частинки зі сталою інтенсивністю. Спершу я подумав, що це випромінювання свідчить про те, що одне з наближень, яке я застосував, було неправильне. Я боявся, що якщо про це дізнається Бекенштайн, він використає це як ще один аргумент на користь своєї ідеї про ентропію чорних дір, яка досі була мені не до вподоби. Однак, що більше я про це розмірковував, то більше переконувався, що з наближеннями все гаразд. В тому, що випромінювання справді існує, остаточно мене переконало те,
