Серед великого розмаїття небесних тіл особливе місце посідає клас об’єктів, які називають чорними дірами (ЧД). Їхнє поле тяжіння настільки велике, що жодна частинка, зокрема частинка (квант) світла, не може вирватися зсередини такого об’єкта й піти на нескінченність. Тому його поверхня діє як своєрідний клапан, що пропускає речовину лише в один бік — усередину ЧД (звідси й ця назва: речовина падає в ЧД як у діру, а світло з неї вийти не може). Ця унікальна властивість чорних дір прямо веде до унікального факту — зовнішньому спостерігачеві такий об’єкт видається гарячим тілом, що є джерелом теплового випромінювання. Цю та інші теплові властивості чорних дір описує спеціальна теорія — термодинаміка чорних дір.
читатиУ наш час важко знайти людину, яка не чула б про чорні діри. Водночас, мабуть, не менш важко відшукати того, хто зміг би пояснити, що це таке. Утім, для фахівців чорні діри вже перестали бути фантастикою — астрономічні спостереження давно довели існування як «малих» чорних дір (із масою порядку сонячної), що утворилися внаслідок гравітаційного стиснення зір, так і надмасивних (до $10^9$ мас Сонця), породжених колапсом цілих зоряних скупчень у центрах багатьох галактик, зокрема й нашої. У наш час мікроскопічні чорні діри шукають у потоках космічних променів надвисоких енергій (міжнародна лабораторія Pierre Auger, Аргентина) і навіть припускають можливість «налагодити їхнє виробництво» на Великому адронному колайдері (LHC). Однак справжня роль чорних дір, їхнє «призначення» для Всесвіту, перебуває далеко за межами астрономії та фізики елементарних частинок. Вивчаючи їх, дослідники значно просунулися в науковому розумінні раніше суто філософських питань — що таке простір і час, чи існують межі пізнання Природи, який зв’язок між матерією та інформацією. Спробуємо висвітлити все найважливіше з цієї теми.
читатиДозвольте мені почати зі старого перського переказу. Одного разу метелики організували літню школу, присвячену великій таємниці полум’я. Обговорювалися різні моделі, але ніхто не міг переконливо пояснити загадку. Тоді один сміливий метелик зголосився на власному досвіді з’ясувати, що ж таке вогонь. Він полетів до найближчого замку, наблизився до вікна й побачив запалену свічку. Він повернувся схвильований і розповів про те, що бачив. Але мудрий метелик, який головував на конференції, сказав, що інформації не стало більше, ніж було раніше.
читатиУ 1994 Стівен Гокінг і Роджер Пенроуз прочитали цикл публічних лекцій із загальної теорії відносності в Інституті математичних наук імені Ісаака Ньютона при Кембриджському університеті. Наш журнал представляє вам уривки з цих лекцій, випущених цього року видавництвом Princeton University Press під назвою «Природа простору і часу», які дають змогу порівняти погляди цих двох учених.
читатиВідкриття Гокінгом теплового випромінювання чорної діри було для більшості фахівців цілковитою несподіванкою, хоча на момент цього відкриття вже існувало досить багато міркувань, які свідчили про тісне переплетення фізики чорних дір і термодинаміки.
Вілер, мабуть, першим звернув увагу на те, що в межах класичної теорії тяжіння вже сам факт існування чорної діри суперечить закону зростання ентропії. Справді, уявімо, що чорна діра поглинає гаряче тіло, яке має певний запас ентропії. Тоді зовнішній спостерігач бачить зменшення повної ентропії в частині світу, доступній для його спостереження. Суто формально цього зменшення ентропії можна було б уникнути, якби просто приписати ентропію, пов'язану з тілом, що впало, внутрішній області чорної діри. Однак цей вихід явно незадовільний, оскільки будь-які спроби зовнішнього спостерігача визначити значення ентропії, поглинутої чорною дірою разом із гарячим тілом, приречені на невдачу. Крім того, стан речовини, що падає на чорну діру, міг задаватися безліччю мікроскопічних параметрів, а після падіння, згідно з теоремою про відсутність волосся у чорної діри, має описуватися лише трьома: масою, моментом імпульсу та електричним зарядом. Через короткий час після цього процесу чорна діра стає стаціонарною і внаслідок ефекту випадіння волосся повністю забуває такі деталі, як будова тіла, що впало, та його ентропія.
Цей огляд є продовженням
читати