Schwarze löcher und die thermodynamik

Erste Hinweise auf eine mögliche Verbindung zwischen Schwarzen Löchern und der Thermodynamik ergab sich 1970 mit der mathematischen Entdeckung, dass die Oberfläche des Ereignishorizontes, der Grenze eines Schwarzen Loches, stets anwächst, wenn zusätzliche Materie oder Strahlung in das Schwarze Loch dringt. Mehr noch: Wenn zwei Schwarze Löcher zusammenstoßen und zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen, so ist die Horizontfläche des resultierenden Schwarzen Lochs größer als die Flächensumme der Ereignishorizonte, die die ursprünglichen Schwarzen Löcher umgeben haben.
Diese Eigenschaften lassen auf eine Verwandtschaft zwischen der Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches und dem Entropiebegriff in der Thermodynamik schließen.
Entropie kann man verstehen als ein Maß für die Unordnung eines Systems oder, was das gleiche ist, als ein Maß für unsere Unkenntnis eines Zustands.
Der berühmte "Zweite Hauptsatz der Thermodynamik" besagt, dass die Entropie (in einem abgeschlossenen System) mit der Zeit stets zunimmt und dass bei der Vereinigung zweier Systeme die Entropie des Gesamtsystems größer ist als die Summe der Entropien der einzelnen Systeme.

Wenn ein Schwarzes Loch durch einen Gravitationskollaps geschaffen wird, nimmt es rasch einen stationären Zustand an, der lediglich durch drei Parameter gekennzeichnet ist: die Masse, den Drehimpuls ("Kerrsche Lösung": Ist die Rotation gleich Null, ist das Schwarze Loch vollkommen rund, ist die Rotation hingegen nicht gleich Null, so ist das Schwarze Loch an seinem Äquator nach außen gewölbt ((entsprechende Wölbungen besitzen auch Erde und Sonne infolge ihrer Rotation)), und je schneller es rotiert, desto stärker prägt sich diese Wölbung aus) und die elektrische Ladung. Von diesen drei Eigenschaften abgesehen, bewahrt das Schwarze Loch keine anderen Einzelheiten des kollabierten Objekts.
Stationärer Zustand: Ein Zustand, der sich mit der Zeit nicht mehr ändert: Eine Kugel, die sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht, ist stationär, weil sie stets gleich aussieht, sie ist aber nicht statisch.
Ein Schwarzes Loch ist also kein fester Körper, sondern nur eine von seinem Ereignishorizont begrenzte Fläche in Raum und Zeit. Der Horizont ist wie ein Einwegspiegel. Nichts, was hereinfällt, kann hinaus. Beobachter außerhalb des Horizonts können keine Signale von innen empfangen.
Von einem Schwarzen Loch kann man nichts anderes wissen als seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Drehimpuls. Es hat keine anderen Eigenschaften. Zwei Schwarze Löcher, bei denen Masse, Drehimpuls und Ladung gleich sind, lassen sich von außen nicht unterscheiden. Die Materie, die sich im Inneren des Horizonts eines Schwarzen Lochs befindet, kann durchaus noch andere Eigenschaften haben, aber äußere Beobachter haben zu ihnen einfach keinen Zugang, da im Zuge des Gravitationskollaps außerordentlich viel Information verloren geht. So spielt es beispielsweise keine Rolle, ob der kollabierte Körper aus Materie oder Antimaterie bestand und ob er sphärisch oder von extrem unregelmäßiger Form war.
Ein Schwarzes Loch von gegebener Masse, gegebenem Drehimpuls und gegebener elektrischer Ladung könnte durch den Zusammensturz einer großen Zahl verschiedener Materiekonfigurationen entstanden sein.

In diesem Sinn sind Schwarze Löcher die einfachsten Dinge der Natur. Denn sie haben nicht die Millionen von Eigenschaften, die selbst die einfachsten alltäglichen Objekte kennzeichnen.
Allerdings verschwindet Materie, die von einem Schwarzen Loch aufgesogen wird, nicht unauffällig. Bevor sie verschluckt wird, erhitzt sie sich sehr stark und sendet insbesondere eine starke Röntgenstrahlung aus. An dieser Strahlung und an der vom Schwarzen Loch ausgehenden Schwerkraft könnte man ein Schwarzes Loch recht gut erkennen.