블랙홀 17, 블랙 홀과 엔진

이 상황은 열역학이라는 아름다운 과목을 공부해 온 사람들에게 섬뜩할 정도로 친숙하다. 이 분야에서는 정보가 물리적 프로세스를 통해 어떻게 손실되거나 소멸될 수 있는지를 이해하는 것이 매우 일반적입니다. 열역학은 길고 흥미로운 역사를 가지고 있습니다. 현대의 이론은 산업 혁명 동안 사람들이 증기 엔진을 더 효율적으로 만드는 방법을 연구하는 동안에 시작되었다. '에너지'는 항상 보존되고 다른 형태로 전환될 수 있는 방식으로 정의될 수 있다. 이것은 열역학 제1법칙으로 알려져 있다. 그러나 여러 유형의 에너지 간에 일부 전환을 수행할 수는 있지만, 허용되지 않는 특정 변환이 있습니다. 예를 들어, 기계 작업을 완전히 열로 변환할 수는 있지만(자동차를 완전히 정지시키기 위해 브레이크를 사용할 때마다)열을 정확하게 증기로 변환할 수는 없습니다. 따라서 열차 내 증기 엔진은 용해로의 열을 부분적으로 바퀴를 회전시키는 기계적 작업으로 변환하는 데에만 성공합니다. 결국 열은 원자의 무작위적인 움직임과 관련된 에너지의 한 종류이며, 기계적인 작업은 바퀴나 피스톤과 같은 큰 물질의 조정된 움직임을 포함한다. 따라서 열 특성의 중요한 요소는 무작위성입니다. 즉, 뜨거운 물체에서 원자를 움직이면 개별 원자의 움직임을 추적할 수 없기 때문입니다. 이러한 임의의 움직임은 추가 비용 없이 단순히 크기를 조정할 수 없습니다. 임의성 또는 기술적 이름인 엔트로피를 어떤 격리된 시스템에서도 감소하지 않고 항상 동일하게 유지하거나 모든 물리적 프로세스에서 증가시켜야 한다. (이것이 열역학의 두번째 법칙입니다.) 이것을 보는 한가지 방법은 우리가 큰 시스템에 있는 모든 원자의 움직임을 추적할 수 없기 때문에 세계에 대한 우리의 정보가 항상 감소한다는 것입니다. 에너지가 미세한 스케일로 미세한 스케일로 이동할 때, 단순한 피스톤 운동에서 거대한 원자의 무작위 운동으로 이동하면, 정보는 우리에게 손실됩니다. 열역학은 우리가 이 다양하게 들리는 개념을 완전히 양적으로 만들 수 있게 해 줍니다. 이 정보 손실은 블랙 홀로 떨어지는 물질에 대해 우리가 설명해 왔던 것과 정확히 유사한 것으로 밝혀졌다.

열역학이 증기 엔진을 위해 개발되었지만, 그 원리들은 우주의 모든 과정에 적용되는 것으로 생각됩니다. 블랙 홀과 관련하여 이것에 대해 생각해 본 최초의 사람들 중 한명은 옥스포드 물리학자 로저 펜로즈였다. 그는 블랙 홀이 회전하기 때문에, 블랙 홀에서 에너지를 추출하여 그것을 일종의 엔진으로 사용하는 것이 가능할 것이라고 추측했다. 그는 물체가 회전하는 블랙 홀을 향해 던져지는 기발한 계획을 고안해 냈습니다. 어떤 것은 던져진 것보다 더 많은 에너지를 가지고 나타납니다. 에너지는 사건의 지평선 바로 밖에서 지역으로부터 추출된다. 펜로즈의 과정은 블랙 홀의 회전 속도를 늦춘다. 원칙적으로, 엄청난 양의 에너지는 이런 식으로 블랙 홀에서 추출될 수 있지만, 물론 이것은 단순한 사고 실험일 뿐이고 다가오는 지구의 에너지 위기에 대한 실질적인 해결책은 아니다! 펜로즈의 작품에서 몇년 안에, 제임스 바딘, 브랜든 카터, 스티븐 호킹은 획기적인 발전을 이루었고, 그들이 나중에 호킹의 생각에 기초를 둔 블랙 홀 역학의 세가지 법칙이라고 부르는 것을 만들었다. 그것의 질량과 스핀에 의해 결정된다.