ПУСТОТА — ИСТОЧНИК ЧАСТИЦ
Чтобы сделать рассуждения понятными, необходимо сейчас напомнить читателю, что окружающий нас физический вакуум — это совсем не абсолютная пустота, как считалось, скажем, сто лет назад. По многим своим свойствам физический вакуум материален. Это проявляется, в частности, в том, что в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и взаимного уничтожения пар так называемых виртуальных частиц. Такими парами могут быть электрон и позитрон или пары различных квантов электромагнитного излучения. Поскольку эти пары рождаются все же «из ничего», они должны отвечать обязательному условию: если энергия (масса) одной из частиц такой пары положительна, то энергия (масса) второй частицы должна быть отрицательной и равной по абсолютной величине энергии первой частицы. При таком условии частицы, взаимно уничтожаясь, исчезают бесследно и средняя энергия, распределенная в физическом вакууме, как и следует быть, оказывается равной нулю.Иначе обстоит дело, если рождение пар виртуальных частиц происходит вблизи горизонта событий. Тогда частица, обладающая отрицательной энергией, падает внутрь черной дыры и исчезает. А частица, обладающая положительной энергией, подчиняясь закону сохранения количества движения, улетает в сторону от черной дыры, Легко показать, что внутрь должны падать именно частицы с отрицательной энергией. Если бы было наоборот, то энергия черной дыры непрерывно увеличивалась бы за счет энергии падающих на нее виртуальных частиц. Энергия бралась бы из ничего, что запрещено законом сохранения. Наоборот, если внутрь черной дыры падают частицы с отрицательной энергией, ее энергия постепенно уменьшается и это уменьшение в точности равно положительной энергии частиц, улетающих в космическое пространство. Вот и получается, что черная дыра излучает, то есть представляется для внешнего наблюдателя горячим телом. Рассуждения С. Хокинга полностью подтвердились сделанными им расчетами.
ТЕМПЕРАТУРА БИЛЬЯРДА
К тем же выводам, что и С. Хокинг, можно прийти, исходя из совершенно иных соображений. И снова, в который раз, вернемся к бильярду. Когда шары на бильярдном столе неподвижны и составлены в пирамидку, можно сказать, что температура бильярда равна нулю. Ведь температура определяется средней скоростью движения частиц. Разбивая пирамидку, мы «нагреваем» бильярд до определенной температуры. При этом шары «забывают» свое первоначальное положение в пирамидке и движутся так, что все положения на столе для них равновероятны. Можно сказать, что процесс нагревания — это то же самое, что процесс забывания. Раньше мы строго сформулировали ту же мысль, сказав, что информация суть энтропия, взятая с обратным знаком, чем выше энтропия системы, тем меньшее количество информации может быть от нее получено.Но должно быть справедливо и обратное. Чем меньше информации может быть получено от системы, тем выше должна быть ее энтропия. Мы уже сталкивались с подобным положением в главе четвертой и подчеркивали там, что существенное значение имеет именно принципиальная возможность получать информацию, а не то, хотим мы получать эту информацию и располагаем ли мы при этом соответствующими приборами или нет.Перенося эти рассуждения на случай черных дыр, приходим к непосредственному выводу. Поскольку возможность получать какую-либо информацию о черной дыре отсутствует, значит, энтропия ее должна быть велика. Черная дыра полностью «забыла» как о своем собственном происхождении, так и о всех тех объектах (в том числе и виртуальных частицах), которые она поглотила. А подобное забывание эквивалентно тому, что черная дыра ведет себя как тело, нагретое до достаточно высокой температуры.Все эти рассуждения, может быть, и не имели бы особой цены, если бы, будучи облаченными в математические формулы, они не дали бы в точности тот же результат, который получается при выводе математических зависимостей на основе представления о виртуальных частицах.До открытия эффекта Хокинга мы знали единственный механизм появления тепловых свойств у динамической системы. Он состоит в превращении упорядоченного движения частиц в хаотическое, проявляясь и при трении двух кусков дерева, с помощью которых наши предки добывали огонь, и в современных установках по нагреву плазмы. Физика черных дыр указала нам новый механизм появления тепла, который происходит по схеме: черная дыра — черный ящик (то есть объект, который можно изучить только по его внешним проявлениям) — черное тело.Черные дыры помогли нам увидеть новые и неожиданные аспекты термодинамики, обогатив наше понимание природы теплоты. Поэтому независимо от того, существуют эти объекты в природе или нет, они уже с лихвой оправдали себя как предмет теоретического исследования и, можно думать, надолго останутся в истории естествознания.