Если лучи света, образующие горизонт событий, т. е. границу черной дыры, никогда не могут сблизиться, то площадь горизонта событий может либо оставаться той же самой, либо увеличиваться со временем, но никогда не будет уменьшаться, потому что ее умень­шение означало бы, что по крайней мере некоторые лучи света на границе черной дыры должны сближаться. На самом деле эта площадь будет всегда увеличиваться при падении в черную дыру вещест­ва или излучения. Если же две черные дыры столкнутся и сольются в одну, то площадь горизонта событий либо будет боль­ше суммы площадей горизонтов событий исходных черных дыр, ли­бо будет равна этой сумме. То, что площадь горизонта событий не уменьшается, налагает важное ограничение на возмож­ное поведение черных дыр, на самом деле это свойство площадей было уже известно. Но это исходило из несколько иного определения черной дыры. Оба определения дают одинаковые границы черной дыры и, следовательно, одинаковые площади при условии, что черная дыра находится в состоянии, не изменяющемся временем.

То, что площадь черной дыры не уменьшается, очень напоминает поведение одной физической величины — энтропии, которая является мерой беспорядка в системе.По своему повседневному опыту мы знаем, что беспорядок всегда увеличивается, если пустить его на самотек. (Попробуйте только прекратить дома всякий мелкий Ремонт, и вы убедитесь в этом воочию!) Беспорядок можно превратить в порядок (например, покрасив дом), но это потребует затраты усилий и энергии и, следовательно, уменьшит количество имею­щейся «упорядоченной» энергии.

Точная формулировка приведенных рассуждений называется вторым законом термодинамики. Этот закон гласит, что энтропия изолированной системы всегда возрастает и что при объединении двух систем в одну энтропия полной системы больше, чем сумма энтропий отдельных, исходных систем. В качестве примера рас­смотрим систему молекул газа в коробке. Можно представить себе, что молекулы — это маленькие бильярдные шары, которые все вре­мя сталкиваются друг с другом и отскакивают от стенок коробки. Чем выше температура газа, тем быстрее движутся молекулы и, следовательно, тем чаще и сильнее они ударяются о стенки коробки и тем больше создаваемое ими изнутри давление на стенки коробки. Пусть сначала все молекулы находятся за перегородкой в левой час­ти коробки. Если вынуть перегородку, то молекулы выйдут из своей половины и распространятся по обеим частям коробки. Через некоторое время все молекулы могут случайно оказаться справа или опять слева, но, вероятнее всего, в обеих половинах коробки число молекул окажется примерно одинаковым. Такое состояние менее упорядочено, т. е. является состоянием большего беспорядка, чем исходное состояние, в котором все молекулы находились в одной половине, и поэтому говорят, что энтропия газа возросла. Аналогич­но представим себе, что вначале имеются две коробки, в одной из которых молекулы кислорода, а в другой — молекулы азота. Если соединить коробки и вынуть общую стенку, то кислород и водород смешаются друг с другом. Наиболее вероятно, что через некоторое время в обеих коробках будет находиться довольно однородная смесь молекул кислорода и водорода. Это будет менее упорядочен­ное состояние, обладающее, следовательно, большей энтропией, чем начальное, отвечающее двум отдельным коробкам.

Второй закон термодинамики занимает несколько особое поло­жение среди других законов науки, таких, например, как ньютонов­ский закон тяготения, потому что он выполняется не всегда, а только в подавляющем большинстве случаев. Вероятность того, что все молекулы газа в первой коробке через некоторое время окажутся в одной половине этой коробки, равна единице, делен­ной на много миллионов миллионов, но такое событие все же может произойти. Если же поблизости есть черная дыра, то нарушить вто­рой закон, по-видимому, еще проще: достаточно бросить в черную дыру немного вещества, обладающего большой энтропией, например коробку с газом. Тогда полная энтропия вещества снаружи черной дыры уменьшится. Разумеется, можно возразить, что полная энтро­пия, включая энтропию внутри черной дыры, не уменьшилась, но раз мы не можем заглянуть в черную дыру, мы не можем и узнать, какова энтропия содержащегося в ней вещества. Значит, было бы неплохо, если бы черная дыра обладала какой-нибудь такой харак­теристикой, по которой внешние наблюдатели могли бы определить ее энтропию и которая возрастала бы всякий раз при падении в черную дыру вещества, обладающего энтропией. После того как бы­ло открыто, что при падении в черную дыру вещества площадь горизонта событий увеличивается, Джекоб Бикенстин, аспирант из Принстона, предложил считать мерой энтропии черной дыры пло­щадь горизонта событий. При падении в черную дыру вещества, обладающего энтропией, площадь горизонта событий черной дыры возрастает, и поэтому сумма энтропии вещества, находящегося сна­ружи черных дыр, и площадей горизонтов событий никогда не умень­шается.

Казалось бы, при таком подходе в большинстве случаев будет предотвращено нарушение второго закона термодинамики. Однако есть одно серьезное возражение. Если черная дыра обладает энтро­пией, то у нее должна быть и температура. Но тело, у которого есть некоторая температура, должно с какой-то интенсивностью испус­кать излучение. Все мы знаем, что если сунуть в огонь кочергу, она раскалится докрасна и будет светиться, но тела излучают и при бо­лее низких температурах, только мы этого обычно не замечаем из-за слабости излучения. Это излучение необходимо для того, что­бы не нарушался второй закон термодинамики. Итак, черные дыры Должны испускать излучение. Но по самому их понятию черные Дыры—это такие объекты, которые не могут испускать излучения. Поэтому создавалось впечатление, что площадь горизонта событий чёрной дыры нельзя рассматривать как ее энтропию. В 1972 г. Стивен Хокинг, Брендон Картер и их американский коллега Джим Бардин написали совместную работу, в которой говорилось, что несмотря на большое сходство между энтропией и площадью горизонта событий, вышеупомянутая трудность существует и представляется неустранимой. Эта статья писалась отчасти под влиянием раздражения, вызванного работой Бикенстина, который, как считал Хокинг, злоупотребил открытым мною ростом площади горизонта событий. Но в конце оказалось, что Бикенстин в принципе был прав, хотя, наверняка, даже не пред­ставлял себе, каким образом.

Будучи в Москве в сентябре 1973 г., Хокинг беседовал о черных ды­рах с двумя ведущими советскими учеными — Я. Б. Зельдовичем и А. А. Старобинским. Они убедили его в том, что в силу кванто-вомеханического принципа неопределенности вращающиеся черные дыры должны рождать и излучать частицы. Он согласился с физи­ческими доводами, но ему не понравился их математический спо­соб расчета излучения. Поэтому Хокинг занялся разработкой лучшего математического подхода и рассказал о нем на неофициальном семинаре в Оксфорде в конце ноября 1973 г. Тогда он еще не провел расчеты самой интенсивности излучения. Он ожидал получить лишь то излучение, которое Зельдович и Старобинский предсказали, рас­сматривая вращающиеся черные дыры. Но, выполнив вычисления, он, к своему удивлению и досаде, обнаружил, что даже невращаю­щиеся черные дыры, по-видимому, должны с постоянной интен­сивностью рождать и излучать частицы. Сначала он решил, что, вероятно, одно из использованных им приближений неправиль­но. Он боялся, что если об этом узнает Бикенстин, то он этим восполь­зуется для дальнейшего обоснования своих соображений об энтро­пии черных дыр, которые ему по-прежнему не нравились. Однако чем больше он размышлял, тем больше убеждался в том, что его приближения на самом деле правильны. Но его окончательно убе­дило в существовании излучения то, что спектр испускаемых частиц должен быть в точности таким же, как спектр излучения горя­чего тела, и что черная дыра должна излучать частицы в точности с той интенсивностью, при которой не нарушался бы второй закон термодинамики. С тех пор многие самыми разными способами повторили его расчеты и тоже подтвердили, что черная дыра долж­на испускать частицы и излучение, как если бы она была горячим телом, температура которого зависит только от массы черной ды­ры — чем больше масса, тем ниже температура.