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撰文:Andrew Turner(麻省理工理论物理中心研究生) 、 Alex Tinguely(麻省理工物理系研究生)

自人们第一次提出黑洞的概念以来,这种奥秘的物体就抓获了咱们的幻想力。黑洞最令人惊讶的特征是它的事情视界——在这个鸿沟以内,任何东西都无法逃脱。物体能够从外部进入到视界内部,但一旦它们穿过视界,就永久无法回来,与它们有关的信息也相同不能够。任何进入黑洞视界的东西都与外部国际彻底隔绝了。

多年以来,黑洞的存在好像要挟着现代物理学的一个铁律——热力学第二规则。这个规则协助咱们区别曩昔sale与未来,然后界说了“时刻的箭头”。要了解为什么黑洞构成了这种要挟,咱们首要需求评论的是时刻反演

熵与时刻之箭


依据咱们的调查,物理学规则在月经少而黑时刻反演化换下(大多)坚持不变。这意味着什么呢?幻想一个朋友向你展现如下的视频:屏幕上显现着一个单摆从左向右摇摆。这是正常播映的视频仍是倒放的视频呢?你必定也看过单摆向相反的方向摇摆。假如物理学规则在时刻反演下坚持不变,那么现实上就没有什么方法区别视频是正着播映仍是倒着播映的:不管时刻是向前仍是向后,物理学进程看起来都是相同的。

但是,这好像与咱们的日常经历不共同。假如在另一个视频傍边,一堆破碎的瓷片从地板上腾空飞起,它们粘合拼装成一个咖啡杯,然后静置在了桌子之上。这个视频是正着播映的还柠檬的成效,科谱:挽救时刻之箭-ope电竞文娱_ope电竞app_ope电竞文娱是倒着蓝莲花播映的?大多数柠檬的成效,科谱:挽救时刻之箭-ope电竞文娱_ope电竞app_ope电竞文娱人的合理猜测都会是,视频是倒着播映的。假如物理学规则在时刻反演下的确坚持不变,那么为什么这种直觉对咱们如此清楚明了呢?这其间的原因是,虽然严格来说,物理学规则答应呈现视频中这种乖僻的进程,但破碎的咖啡杯由许许多多的粒子组成的,这一现实意味着本质上它是不行能自发地从头拼装的。

这个概念由热力学第二规则描绘,它告知咱们,任何孤立体系的熵S都不会随时刻削减(但能够柠檬的成效,科谱:挽救时刻之箭-ope电竞文娱_ope电竞app_ope电竞文娱添加)。也范思哲香水便是说,熵的改动不行能是负值:





熵是一个核算学意义上的概念,技能它衡量的是,当咱们只知道体系的“微观”(大标准)信息时,咱们对体系根本状况的常识的匮乏程度。这儿所说的“状况”是指构成整个体系的每一个粒柠檬的成效,科谱:挽救时刻之箭-ope电竞文娱_ope电竞app_ope电竞文娱子的切当构型。以一个充溢气体的盒子为例,咱们虽然能够很容易地测得气体的温度和压力,但实践上咱们不行能知道盒子里每个气体粒子的方位和速度。现实上,粒子的方位和速度有很多种构型,也便是状况,它们会发作相同的温度和郓城压强。熵衡量的是咱们对体系实践处于哪种特定状况的无知程度。

具有相同温度和压强的微观状况数越多,体系的柠檬的成效,科谱:挽救时刻之箭-ope电竞文娱_ope电竞app_ope电竞文娱熵也就越大。

熵不会随时刻减小但能够添加这一现实,能够由柠檬的成效,科谱:挽救时刻之箭-ope电竞文娱_ope电竞app_ope电竞文娱时刻反演化换下的不变性与一种名为因果律的附加性质结合得出。这两个性质结合在一起告知咱们,一个柠檬的成效,科谱:挽救时刻之箭-ope电竞文娱_ope电竞app_ope电竞文娱体系的任何单一状况都刚好对应于曩昔或未来任何时刻的一个状况——不多也不少。重案六组4例如,一个状况不行能在未来的某个时配音刻变成两个状况,而两个状况也不行能变成一个状况。


现在考虑一下,当咱们翻开一个充溢气体的盒子,让气体分散到一个大房间时会发作什么。假如气体从被侵略盒子里出来,然后充溢整个房间(如上图左),那么咱们能够很容易地满意这样的规则——盒子里的每个初始状况都会演化成为房间里共同的终究状况。在这个进程中,假如咱们亲近重视房间里的每一个粒子,熵就不会添加,因为每个初始状况都会演化为一个单一陀螺仪的终究状况。但咱们无法盯梢这么多变量。咱们能做的便是在翻开盒子后丈量温度和压强,然后咱们会发现,整个房间里的气体有许许多多种或许的状况都与新的温度和压强共同。在这个进程中,咱们丢掉了关于粒子准确构型的信息,因此熵会添加。相反,假如气体师生恋开始充溢整个房间,然后集合起来流入盒子里(如上图右),那么房间里的绝大多数初始状况都将无处可去,因为盒子里没有满足的状况。因此,蹲便器熵不行能减小!

现在,热力学第二规则让咱们对“时刻之箭”有了一些判断力。虽然物理学规则是能够逆时刻而行,但熵这一核算概念能让咱们为时刻界说杏一个行进的方向:时刻朝着熵添加的方向玛莎拉蒂车活动!这便是为什么咱们觉得一个自发拼装咖啡杯的视频一定是在倒放。

黑洞与熵


那么,这一切又和黑洞有什么联系呢?在经典国际,也便是不考虑量子物理学的醋溜土豆丝国际里的黑洞是没有熵的。物理学家贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)曾说过,这些经典国际的黑洞是“无毛”的,这句俏皮话的意思是,一个经典黑洞只要几种可丈量的特点:质量(它有多大)、角动量(它旋转的速度有多快)和电荷(比方积累的静电木颏沙)。当一个物体落入黑洞时,它能改动的只要这三个量,除此之外,任何与它有关的信息都永久的丧失了。

关于热力学第二规则而言,这是一个大问题!假如黑洞真的没有熵,那么在任何时候当一个物体落入黑洞时,它的熵都会被有效地立刻铲除,这样一来,国际的熵就降低了,然后违反了热力学第二规则。假如没有热力学第二规则,咱们为什么就不能在日常日子中看到破碎的咖啡杯再自我重组呢?

处理这个问题的方法是引进量子物理学。1974年,霍金(Stephen Hawking)证明,除了上述三个性质之外,黑洞还有温度这一特性,现在这一温度这被称为霍金温度。温度的热力学界说将能量的改动与熵的改动联系起来,因此这一发现使得霍金能够证明,黑洞实践上的确有熵,这与热力学第二规则是共同的。现实上,因为黑洞的能量会跟着其视界的表面积的添加而添加,成果现实证明黑洞的熵与它的表面积成正比,这一现实验证了贝肯斯坦开始的猜测。

霍金发现了霍金温度的准确值,这使他能够核算出(黑洞的熵与视界表面积联系的)份额常数,然后得出现在的贝肯斯坦-霍金公式(偶然的是,Bekenstein–Hawking的首字母与黑洞Black Hole相同):


其间S张付川BH是黑洞的熵,A是它的表面积,kB是玻耳兹曼常数,P是普朗克长度。后来,物理学家施特罗明格(Andy Strominger)和瓦法(Cumrun Vafa)等人经过核算,在黑洞的一个特一上到底定理论中验证了这个公式。

精妙之处在于,正如咱们所期望的那样,黑洞的确有熵,栀子并且咱们能够经过调查黑洞的巨细来切当地知道它的熵有多大。一旦知道黑洞有熵,就有了热力学第二规则的一种新方式,这种新的方式不只包含了黑洞之外的国际,也包含黑洞视界以内的国际:国际的总熵(S=S+SBH)永久不会削减。当任何东西被扔进黑洞时,黑洞之外的国际的熵会削减,但令人惊讶的是,黑洞的表面积、因此黑洞内部的熵,会添加得满足多,以保证总熵不会减小。然后拯救了热力学第二规则以及时刻的箭头!