Астрофізик: Чорні діри насправді споживають ентропію

Ентропія – це одне з тих страхітливо глибоких понять, що лежать в основі цілих розділів фізики (в даному випадку термодинаміки), яке, на жаль, настільки математичне, що його складно пояснити простою мовою. Але ми спробуємо.

Коли я бачу слово “ентропія”, мені подобається замінювати його фразою “підрахунок кількості способів, якими я можу змінити сценарій, залишаючи його в основному незмінним”. Згоден, це трохи складно, але ентропія буде доречною.

Ви прокидаєтеся вранці на вихідних і вирішуєте нарешті взятися за монументальне завдання – прибрати у своїй спальні.

Ви збираєте, чистите, складаєте і прибираєте свій одяг. Розправляєш простирадла. Збиваєте подушки. Впорядковуєш шухляду з білизною.

Після кількох годин зусиль ви відходите, щоб помилуватися своєю роботою, але вже відчуваєте, як у шлунку з’являється відчуття неспокою. Незабаром ви просто знаєте, що там знову буде безлад.

Ви інстинктивно знаєте це, тому що є лише один єдиний спосіб мати ідеально впорядковану кімнату, де є місце для всього і все на своєму місці.

Існує лише один спосіб досягти цього точного сценарію. Тепер, коли ви знайомі з цим словом, можете сміливо використовувати його: можна сказати, що ідеально чиста кімната має дуже низьку ентропію.

Давайте введемо деякий безлад. Ви берете одну непарну шкарпетку і кидаєте її у своїй кімнаті. Тепер у ній безлад.

І ви можете покласти кількісну міру на цей безлад. Ваша самотня шкарпетка може бути на підлозі. Вона може бути на ліжку. Вона може наполовину стирчати з шухляди.

Існує безліч способів, як ви можете змінити цей сценарій – появу однієї неохайної шкарпетки у вашій кімнаті – при цьому загальна картина залишиться незмінною. Ентропія вища.

А потім в кімнату вривається ваш собака, або ваші діти, або ваш собака і діти. Настає хаос.

Ніщо не знаходиться там, де повинно бути, і існує майже нескінченна кількість способів досягти того ж рівня безладу.

Ентропія – і розчарування – дійсно дуже висока.

Фізики люблять використовувати ентропію, тому що вона також слугує зручним способом кодування інформації в системі.

Отже, вимірюючи ентропію – величину, з якою фізикам дуже зручно працювати – вони також можуть отримати уявлення про кількість інформації в системі.

Це стосується будь-якої системи у Всесвіті, наприклад, чорних дір.

Починаючи з 1981 року фізик Джейкоб Бекенштейн – чия робота трохи не змусила нас згадати про випромінювання Бекенштейна – відкрив два чудових, неінтуїтивно зрозумілих факти про чорні діри та їхні горизонти подій.

По-перше, об’єм, що міститься в чорних дірах, представляє абсолютну найбільшу кількість ентропії, яку може мати будь-який подібний за розміром об’єм у Всесвіті.

Іншими словами, чорні діри – це сфери максимальної ентропії. Дозвольте це зрозуміти.

Яким би безладом не була ваша кімната, як би ви навмисно чи ненавмисно не збільшували її ентропію, ви ніколи, ніколи не зможете перевершити ентропію чорної діри розміром з кімнату. Цей факт повинен одразу ж викликати кілька тривожних, але інтригуючих запитань.

Чому з усіх чудових творінь у Всесвіті природа обрала саме чорні діри, які містять найбільше ентропії? Чи це простий збіг обставин, чи це вчить нас чомусь цінному про зв’язок між квантовою механікою, гравітацією та інформацією?

Це почуття подвійного занепокоєння і хвилювання повинно зрости, коли ви дізнаєтесь про другий факт про чорні діри, який відкрив Бекенштейн. Коли ви додаєте інформацію до чорної діри, вона стає більшою.

Це саме по собі не дивно, але чорні діри – і тільки чорні діри – ростуть таким чином, що площа їхньої поверхні, а не об’єм, зростає пропорційно кількості нової інформації, що потрапляє в них.

Якщо взяти будь-яку іншу систему у Всесвіті – зірку, що поглинає планету, вас, що поглинає чізбургер – ентропія та інформація об’єднаної системи зростають. Так само, як і об’єм (як для зірки, так і для вас).

А об’єм зростає пропорційно збільшенню кількості інформації.

Але чорні діри з якихось причин, які ми досі не можемо збагнути, не підкоряються цій інтуїтивно зрозумілій картині здорового глузду.

Пол М. Саттер – космолог-теоретик і науковий комунікатор, відзначений багатьма нагородами. Він є професором-дослідником в Інституті передових обчислювальних наук при Університеті Стоні Брук та запрошеним дослідником у Центрі обчислювальної астрофізики при Інституті Флетайрона в Нью-Йорку..

Цю статтю спочатку опублікував Universe Today. Читайте оригінал статті..