Сенсаційна гіпотеза. Американський фізик пояснив роль чорних дір у Всесвіті

Чорні діри та ентропія

Автором цієї гіпотези є Пол Саттер, астрофізик з університету Stony Brook (штат Нью-Йорк) і відомий популяризатор науки.

На його думку, чорні діри виконують вельми важливу функцію у Всесвіті, можливо, визначальну. А саме — чорні діри споживають ентропію.

У своїй статті, опублікованій у Universe Today, Саттер наводить свої міркування про ентропію, а потім пояснює, як і чому він дійшов висновку про те, що чорні діри пов’язані з ентропією у Всесвіті.

Давайте проаналізуємо сміливу гіпотезу американського фізика.

Що таке ентропія?

Для початку варто згадати, що таке ентропія.

Якщо спробувати пояснити це максимально простою мовою, то ентропія — це спосіб виміряти, наскільки все безладно або перемішано.

Уявіть собі свою спальню: у ній панує ідеальний порядок, усе лежить на своїх місцях, і легко знайти те, що вам потрібно. Це низька ентропія.

Але коли в кімнаті дуже брудно, всюди розкидані іграшки та одяг, усе перемішано, і знайти речі складніше. Це висока ентропія.

У науці ентропія допомагає нам зрозуміти, як такі речі, як енергія або тепло, переміщуються і перемішуються в усьому — від танення льоду до роботи зірок. Це наче спосіб Всесвіту ставати дедалі більш безладним із плином часу.

Саттер у своїй статті дає ще більш розгорнуте порівняння.

«Щоразу, коли я бачу слово «ентропія», мені подобається замінювати його фразою «підрахунок кількості способів, якими я можу перебудувати сценарій, залишивши його загалом незмінним», — пише вчений.

Далі він наводить цілий ланцюжок роздумів.

Ви встаєте вранці у вихідний день і вирішуєте, нарешті, взятися за монументальне завдання — прибирання спальні.

Ви збираєте, чистите, складаєте і прибираєте свій одяг. Ви розправляєте простирадла. Ви розпушуєте подушки. Ви приводите до ладу шухляду зі спідньою білизною.

Після кількох годин старань ви відходите назад, щоб помилуватися своєю роботою, але вже відчуваєте, як у животі піднімається тривога. Ви знаєте, що скоро тут знову буде безлад.

Ви інстинктивно знаєте це, тому що є тільки один-єдиний спосіб створити ідеально впорядковану кімнату, в якій усьому є місце і все лежить на своїх місцях.

Є тільки один спосіб мати саме такий сценарій. Оскільки ви тепер знайомі з цим словом, можете сміливо його використовувати: можна сказати, що ідеально чиста кімната має дуже низьку ентропію.

Давайте внесемо трохи безладу, продовжує Саттер. Ви берете одну непарну шкарпетку і кидаєте її у своїй кімнаті. Тепер там безлад.

І ви можете визначити кількісну міру цього безладу. Ваша самотня шкарпетка може лежати на підлозі. Вона може лежати на ліжку. Вона може стирчати наполовину з шухляди.

Існує безліч способів перебудувати цей сценарій — поява однієї неприбраної шкарпетки у вашій кімнаті - при збереженні загальної картини. Ентропія вища.

І тут у кімнату вривається ваш собака, або ваші діти, або собака і діти. Виникає хаос.

Ніщо не перебуває там, де має бути, і існує майже нескінченна кількість способів домогтися того ж рівня безладу.

За словами Саттера, фізики люблять використовувати ентропію, тому що вона також слугує зручним способом кодування інформації в системі.

По суті, вимірюючи ентропію — величину, з якою фізикам дуже зручно працювати, — вони можуть отримати уявлення про кількість інформації в системі.

І це справедливо для будь-якої системи у Всесвіті, наприклад, для чорних дір.

Як пов’язані чорні діри з ентропією?

Саттер вважає, що тут є прямий зв’язок.

Він посилається на роботи фізика Джейкоба Бекенштейна, який виявив два чудових факти про чорні діри та їхні горизонти подій.

По-перше, об'єм, укладений у чорних дірах, являє собою абсолютну найбільшу кількість ентропії, яку може мати будь-який аналогічний за розміром об'єм у Всесвіті.

Іншими словами, чорні діри — це сфери з максимальною ентропією.

Неважливо, наскільки брудною буде ваша кімната, неважливо, наскільки сильно ви навмисно або ненавмисно збільшите її ентропію, ви ніколи, ніколи не зможете перевершити ентропію чорної діри розміром з кімнату. Цей факт має одразу ж викликати кілька тривожних, але інтригуючих запитань, припускає Саттер.

Чому з усіх чудових творінь Всесвіту природа вибрала чорні діри, щоб помістити в них максимальний ступінь ентропії? Чи є це простим збігом, чи це вчить нас чогось цінного про зв’язок між квантовою механікою, гравітацією та інформацією?

Це почуття подвійного занепокоєння і хвилювання має посилитися, коли ви дізнаєтеся другий факт про чорні діри, який відкрив Бекенштейн. Коли ви додаєте інформацію в чорну діру, вона стає більшою, констатує Саттер.

Само по собі це не дивно, але чорні діри — і тільки чорні діри — зростають у такий спосіб, що площа їхньої поверхні, а не об'єм, збільшується пропорційно кількості нової інформації, яка надходить до них.

Це дивовижний факт. Адже в усіх інших випадках у Всесвіті система, що поглинає інформацію, зростає в обсязі. Наприклад, зірка, що поглинає планету, або людина, що поїдає чизбургер, завжди йдеться про об'єм і рівень ентропії, які зростають, резюмує Саттер.

Засвоєння інформації призводить до збільшення обсягу «того, хто поглинає».

Але тільки не у випадку з чорними дірами.

Ці загадкові об'єкти, з якоїсь причини, яку ми досі не можемо зрозуміти, кидають виклик інтуїтивній картині Всесвіту, заснованій на здоровому глузді, пише Саттер.

Що це може означати?

По суті, Саттер стверджує, що чорні діри насправді споживають ентропію, а не виробляють її.

Вчений припускає, що коли матерія падає в чорну діру, вона втрачає свою ентропію і стає частиною маси чорної діри.

Це означає, що ентропія чорної діри не збільшується, а зменшується в міру її зростання. Він також припускає, що цей процес може пояснити, чому Всесвіт має низьку ентропію, оскільки чорні діри могли споживати ентропію з початку часів.

Гіпотеза на поточний момент є вельми спірною і потребує доказів, які можуть з’явитися тільки в наслідок вельми значної наукової дискусії. На це і розраховує Пол Саттер, який закликає вчених до сміливості в аналізі ролі чорних дір у Всесвіті.