Сама по себе черная дыра удивительно легко поддается описанию. Единственными наблюдаемыми свойствами черной дыры являются ее масса, электрический заряд (обычно нулевой) и вращение, или спин. Не имеет значения, как образуется черная дыра. В конце концов, все черные дыры имеют одинаковую общую структуру. Что странно, если подумать. Бросьте достаточно железа и камня вместе, и вы получите планету. Соедините водород и гелий, и вы сможете создать звезду. Но вы можете бросить все это вместе и получить такую же черную дыру, какую получили бы, если бы использовали только чистый водород.

Короче говоря, поскольку все во Вселенной может быть описано определенным количеством информации, а объекты не могут просто исчезнуть, общее количество информации во Вселенной должно быть постоянным. Но если вы бросите стул в черную дыру, он просто увеличит массу и вращение черной дыры. Вся информация о цвете стула, о том, сделан ли он из дерева или стали, высокий он или низкий, теряется. Так куда же делась эта информация?

Одно из решений этого информационного парадокса стало возможным благодаря Стивену Хокингу. Еще в 1974 году он продемонстрировал, что горизонт событий черной дыры не может быть абсолютным. Из-за квантовой неопределенности черные дыры должны испускать крошечное количество света, теперь известное как излучение Хокинга. Излучение Хокинга никогда не наблюдалось, но если оно существует, то информация, теряемая при входе объектов в черную дыру, может быть вынесена из черной дыры через этот свет. Таким образом, информация на самом деле не теряется.

Если излучение Хокинга реально, это также означает, что черные дыры подчиняются законам термодинамики. Впервые эту идею предложил Яаков Бекенштейн. Если черные дыры излучают свет, то они должны иметь тепловую температуру. Отталкиваясь от идеи Бекенштейна, несколько физиков показали, что для черных дыр существует набор законов, известных как термодинамика черных дыр.

Вы, вероятно, знакомы со вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия любой системы должна увеличиваться. Именно по этой причине чашка горячего кофе со временем остывает, слегка нагревая комнату, пока кофе и комната не станут одинаковой температуры. Вы никогда не увидите, чтобы холодная чашка кофе самопроизвольно нагревалась, слегка охлаждая комнату. Другой способ сформулировать второй закон состоит в том, что тепло течет от горячего объекта к окружающим более холодным объектам.

Для черных дыр второй закон термодинамики применим к области горизонта событий черной дыры. Температура Хокинга черной дыры связана с этой областью. Чем больше черная дыра, тем ниже ее температура Хокинга. Итак, второй закон термодинамики черных дыр гласит, что для любого слияния черных дыр энтропия должна увеличиваться. Это означает, что площадь поверхности образующейся черной дыры должна быть больше, чем площадь поверхности двух исходных черных дыр вместе взятых. Это известно как теорема Хокинга о площади.

Конечно, все это куча математических теорий. Это то, что мы ожидаем, учитывая наше понимание физики, но доказать это — совсем другое дело. Теперь исследование в Physical Review Letters дал нам доказательства, что это правда. Команда посмотрела на самое первое наблюдение двух сливающихся черных дыр. Это событие теперь известно как GW150914 и было слиянием черной дыры массой 29 солнечных масс с черной дырой массой 36 солнечных масс. Используя новый метод анализа гравитационных волн, которые они произвели, команда смогла вычислить площади поверхности горизонта событий для исходных черных дыр. Когда они сравнили их с площадью поверхности черной дыры в 62 солнечных массы, они обнаружили, что общая площадь увеличилась.

Результаты имеют уровень достоверности 97%, что хорошо, но недостаточно много, чтобы считаться совершенно доказательными. Но этот метод может быть применен к другим слияниям черных дыр, и это первое реальное доказательство того, что термодинамика черных дыр — это больше, чем просто теория.