Открытие Хокингом теплового излучения чёрной дыры было для большинства специалистов полной неожиданностью, хотя к моменту этого открытия уже существовало довольно много соображений, свидетельствующих о тесном переплетении физики чёрных дыр и термодинамики.

Уилер, по-видимому, первым обратил внимание на то, что в рамках классической теории тяготения уже сам факт существования чёрной дыры противоречит закону возрастания энтропии. Действительно, представим себе, что чёрная дыра поглощает горячее тело, обладающее некоторым запасом энтропии. Тогда внешний наблюдатель видит уменьшение полной энтропии в части мира, доступной его наблюдению. Чисто формально этого уменьшения энтропии можно было бы избежать, если просто приписать энтропию, связанную с упавшим телом, внутренности чёрной дыры. Однако этот выход явно неудовлетворителен, поскольку любые попытки внешнего наблюдателя определить значение энтропии, поглощённой чёрной дырой вместе с горячим телом, обречены на неудачу. Кроме того, состояние падающего на чёрную дыру вещества могло задаваться множеством микроскопических параметров, после падения, согласно теореме об отсутствии волос на чёрной дыре, должно описываться только тремя: массой, моментом импульса и электрическим зарядом. По прошествии краткого времени после этого процесса чёрная дыра становится стационарной и вследствие эффекта выпадения волос полностью забывает такие детали, как строение упавшего тела и его энтропию.

Этот обзор является продолжением

• О принципах в физике
• Голографическая принцип - первая встреча

В 1994 Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз прочли цикл публичных лекций по общей теории относительности в Институте Математических Наук имени Исаака Ньютона при Кембриджском университете. Наш журнал представляет вам выдержки из этих лекций, выпущенных в этом году издательством Princeton University Press под названием "Природа пространства и времени", которые позволяют сравнить взгляды этих двух ученых.

В наше время трудно найти человека, который не слышал бы о чёрных дырах. Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто смог бы объяснить, что это такое. Впрочем, для специалистов чёрные дыры уже перестали быть фантастикой – астрономические наблюдения давно доказали существование как «малых» чёрных дыр (с массой порядка солнечной), которые образовались в результате гравитационного сжатия звёзд, так и сверхмассивных (до $10^9$ масс Солнца), которые породил коллапс целых звёздных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. В настоящее время микроскопические чёрные дыры ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий (международная лаборатория Pierre Auger, Аргентина) и даже предполагают «наладить их производство» на Большом адронном коллайдере (LHC). Однако подлинная роль чёрных дыр, их «предназначение» для Вселенной, находится далеко за рамками астрономии и физики элементарных частиц. При их изучении исследователи глубоко продвинулись в научном понимании прежде сугубо философских вопросов – что есть пространство и время, существуют ли границы познания Природы, какова связь между материей и информацией. Попытаемся осветить всё наиболее важное по этой теме.

Позвольте мне начать со старого персидского предания. Однажды бабочки организовали летнюю школу, посвященную великой тайне пламени. Обсуждались различные модели, но никто не мог убедительно объяснить загадку. Тогда одна смелая бабочка вызвалась на собственном опыте выяснить, что же такое огонь. Она полетела к ближайшему замку, приблизилась к окну и увидела горящую свечу. Она вернулась, взволнованная, и рассказала о том, что видела. Но мудрая бабочка, бывшая председателем конференции, сказала, что информации не стало больше, чем было ранее.

Среди великого разнообразия небесных тел особое место занимает класс объектов, называемых черными дырами (ЧД). Их поле тяготения столь велико, что никакая частица, включая частицу (квант) света, не может вырваться изнутри такого объекта и уйти на бесконечность. Поэтому его поверхность действует как своего рода клапан, пропускающий вещество лишь в одну сторону – внутрь ЧД (отсюда и это название: вещество валится в ЧД как в дыру, а свет из нее выйти не в состоянии). Это уникальное свойство черных дыр прямо ведет к уникальному факту – внешнему наблюдателю оно представляется как горячее тело, служащее источником теплового излучения. Это и другие тепловые свойства черных дыр описываются специальной теорией – термодинамикой черных дыр.