Găurile negre se confruntă cu o problemă fundamentală: ce se întâmplă cu informația când o particulă cade în interiorul său? Țineți minte că sunt necesare doar 3 elemente pentru a descrie o gaură neagră: masa, încărcătura electrică și momentul angular (cinetic). Dar, pentru a descrie un sistem fizic, avem nevoie de mai multă informație, în special de entropie, care măsoară oarecum starea de dezordine.

Pierderea entropiei prin căderea într-o gaură neagră este o încălcare a celei de–a doua legi a termodinamicii. Această lege spune clar că entropia este întotdeauna o funcție crescătoare într-un sistem închis, iar Universul în sine este un sistem închis. Nimic nu poate să iasă din Univers.

În 1972, Stephen Hawking a demonstrat faptul că aria orizontului unei găuri negre nu poate să scadă. Prin urmare, Jacob Bekenstein a identificat suprafața unei găuri negre care nu poate niciodată să scadă, cu entropie: dacă această arie reprezintă o măsură a entropiei găurii negre, al doilea principiu al termodinamicii nu mai este încălcat. Acum apare o nouă problemă: dacă o gaură neagră are entropie, atunci are și temperatură. Orice corp care are temperatură radiază energie, într-un spectru care corespunde temperaturii sale. Dar, în definiția clasică, nimic nu poate să scape dintr-o gaură neagră.

La finalul anilor 1960, fizicianul Roger Penrose a propus o cale de a extrage energia dintr-o gaură neagră Kerr. Să nu uităm că, odată intrat în ergosferă, nimic nu poate rămâne nemișcat, este atras de gaura neagră aflată în mișcare. Unul dintre rezultate este faptul că există energii negative în interiorul ergosferei. Dacă o particulă intră în ergosferă și dacă se sparge în 2 noi particule, una dintre particule cade în interiorul găurii cu energie negativă. Desigur, un asemenea proces este valabil doar cu traiectorii precise. Din punct de vedere fizic, este un fenomen puțin probabil.

Dacă ne gândim în ansamblu, dacă energia particulei care iese din gaura neagră crește, înseamnă că energia găurii negre scade. Există o limită pentru energia gratuită care poate fi extrasă dintr-o gaură neagră: când aceasta nu mai are rotație, exosfera dispare iar procesul nu va mai fi util. Calculele arată că putem extrage un maxim teoretic de 29%din energia totală a unei găuri negre care se rotește.

Fluctuațiile cuantice ale vacuumului și radiațiile Hawking

Un vacuum este un loc în care nu există nimic, este un spațiu gol. De fapt, există acolo o creație și o distrugere continuă a perechilor de particule/antiparticule (numite și particule virtuale întrucât nu pot fi măsurate direct de către detectoarele de particule) pe perioade foarte scurte de timp. Acest fenomen este posibil datorită principiului incertitudinii lui Heisenberg. Acest principiu spune că energia unui vacuum, pe care noi o presupunem ca viind zero, poate fi definită doar de un incert delta E, într-o perioadă de timp delta T, cu relația delta e * delta T este mai mare decât h/4Pi (h este constanta lui Patrik).

Perechile de particule /antiparticule cu energie a ± Δ>E sunt create constant, în decursul unei vieți h/ΔT. Să nu uităm că una dintre particule are încărcătură pozitivă iar cealaltă negativă. Energia totală rămâne nemodificată. Acest fenomen se numește fluctuațiile cuantice ale vacuumului.

Să ne imaginăm că astfel de particule se creează în vecinătatea orizontului unei găuri negre. Dacă una dintre aceste antiparticule cade dincolo de orizont, particula care rămâne poate să scape și să parcurgă o distanță destul de mare față de gaura neagră, purtând o încărcătură pozitivă. Din moment ce nu poate fi anihilată cu antiparticula sa, devine o particulă reală și, pentru un observator distant, pare să fie emisă de gaura neagră. Pentru a compensa energia pe care o are, energie luată de acea particulă, gaura neagră trebuie să piardă din energie. NOTĂ: fenomenul invers nu este posibil. Dacă particula care cade în gaura neagră are energie pozitivă, și cealaltă particulă (antiparticula) trebuie să cadă, întrucât o particulă cu energie negativă nu poate exista în Universul nostru.

Astfel, o radiație evaporată apare ca și cum ar ieși din gaura neagră, datorită particulelor care nu cad în gaura neagră. Calculele arată că  această radiație prezintă simptomele, spectrul unui corp negru (black body).  cu cât gaura neagră este mai grea, cu atât este mai rece. O gaură neagră cu o masă de aproximativ 6 mase solare are o temperatură de 10-8 K. Desigur, cu cât gaura neagră este mai mică, cu atât drumul parcurs de particula virtuală este mai mic și astfel particula reală apare mai devreme. Astfel, rata de emisie a radiațiilor și temperatura sunt mai mari pentru găurile negre de mici dimensiuni.

Din moment ce gaura neagră radiază, evaporează. Astfel, durata ei de viață este infinită. Pentru o gaură neagră cu o masă totală de aproximativ 6 mase solare, durata sa de viață este de 2 x 10 la puterea 68 ani. Temperatura găurii negre fiind atât de mică, este imposibil de măsurat radiația care scapă din gaura neagră, nu există momentan o confirmare experimentală în acest sens. La finalul vieții, masa găurii negre devine din ce în ce mai mică, moment în care temperatura sa tinde spre infinit. Gaura neagră dispare într-o explozie fantastică, fizica pe care o cunoaștem noi nu poate explica mai multe.

Ar mai exista o explicație pentru acest tip de radiație, ceva mai riguroasă, cu care a venit însuși Hawking în 1975. Ea se bazează pe analogia cu radiația Unruh. William Unruh a demonstrat în 1976 că un observator accelerat neuniform  într-un vacuum se va trezi înconjurat de o baie termală, numită radiația Unhur, a cărei temperatură este proporțională cu accelerația. Efectul impune o relație strânsă între accelerație, gravitație, termodinamică și fizică cuantică. În ceea ce privește radiația Hawking, există o scădere a suprafeței găurii negre în momentul în care-ți pierde masa prin evaporare. Am văzut că acea zonă este comparabilă cu entropia  dar din moment ce pierderea entropiei găurii negre este compensată de creșterea entropiei radiației termice, nu are loc o încălcare principiului 2 al termodinamicii.