任何穿越黑洞事件视界的东西都与外界宇宙完全隔绝。

文章作者:管理一号 | 2019-01-28
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北京时刻1月28日音讯,据国外媒体报道,从黑洞概念被提出以来,这种奥秘的天体就不断应战着咱们的幻想力。黑洞最难以幻想的特征是其“事情视界”(event horizon)——没有任何东西能够从这个鸿沟之内逃脱。物体能够从外部穿过事情视界进入黑洞内部,但进入之后,它们就无法再出去,也不会有任何关于它们的信息;任何穿越黑洞事情视界的东西都与外界国际彻底阻隔。

多年来,黑洞的存在好像要挟到了现代物理学的一个基本原则,即热力学第二规则。该规则协助咱们区分了曩昔和未来,然后界说了一个“时刻箭头”(arrow of time)——热力学时刻箭头。为了了解黑洞怎么导致这种要挟,咱们需求讨论一下时刻反演和熵的联系。

熵和时刻箭头

依据调查,物理规则(在大多数状况下)在时刻反演中是不变的。这意味着什么?幻想一下,假如一位朋友给你看这样一段视频:一个钟摆在屏幕中从左至右摇摆,你能说出这段视频是正常播映仍是反向播映吗?很显然,你必定见过钟摆反过来摇摆的状况。假如物理学规则在时刻反演中不会改动,那么实践上就没有办法阐明时刻向前或向后的不同:在这两种状况下,物理学看起来是相同的。

可是,这好像违反了咱们的日常经历。幻想另一段视频画面:一堆陶瓷碎片从地板上飞起来,然后在桌子上拼装成一个咖啡杯。这段视频是正向仍是反向播映?大多数人会合理地猜想是反向播映。假如物理学规则真的在时刻反演中不变,那为什么这种直觉对咱们来说如此显着?原因在于,虽然物理学规则答应这一古怪的进程像视频中那样发作,但因为咖啡杯由许许多多的碎片组成,这一现实意味着它本身不或许自发地从头拼装。

这一概念由热力学第二规则正式建立。该规则通知咱们,作为任何孤立体系的特定衡量,熵(S)不会跟着时刻推移而下降(可是能添加)。换句话说,熵的改变不或许是负值:∆S ≥ 0。

当咱们只知道一个体系的“微观”(大规模)信息时,熵作为一个统计学意义上的概念,能够衡量咱们对该体系潜在状况缺少了解的程度。这儿的“状况”是指构成整个体系的每个粒子的切当装备。举例来说,想想一个装满气体的盒子。虽然咱们能够很简单地丈量盒中气体的温度和压力,但简直不或许知道每个气体粒子的方位和速度,也就是所谓的“状况”,它们一起产生了相同的温度和压力。熵包含了咱们对体系实践处于何种特定状况的无知。

与相同温度和压力共同的状况数越多,熵就越大。

熵不能随时刻推移而下降(但能够添加)的现实遵从了时刻反演下的不变性,以及另一个称为“因果性”的特点。所有这些通知咱们,体系的任一状况都刚好对应于曩昔或将来某一时刻的状况——不多也不少。例如,某一状况无法在未来某个时刻变成两个状况,而两个状况也无法变成一个状况。

现在,请幻想当咱们翻开盒子,把里边的气体放入一个大房间时会发作什么。假如气体从盒子中流出来并填充房间,如上图左边所示,那么咱们能够很简单满意盒子中每个初始状况演化成房间中仅有终究状况的规则。假如咱们仔细调查这一进程中房间内的每个粒子,就会发现熵并不会添加,因为每个初始状况都演化成为单个终究状况,但咱们无法追寻这么多的变量;咱们所能做的就是在翻开盒子后丈量温度和压力,然后发现整个房间内存在许多与新的温度和压力共同的气体或许状况。在这一进程中,咱们失去了关于粒子切当装备的信息,因而熵添加了。假如反过来,房间里的气体流入盒子内部,就像上图右侧所示,那么房间中绝大多数初始状况都将无处可去——盒子里边没有满足的状况。因而,熵无法下降!

热力学第二规则给了咱们一种“时刻箭头”的感觉。虽然物理学规则是能够时刻反演的,但熵的统计学概念只答应咱们界说时刻是正向的:时刻以熵添加的方向活动!这就是为什么咱们觉得咖啡杯自发从头拼装的视频必定是反向播映的原因。

黑洞和熵

气体在局限于盒子(下方)内部及填充房间(上方)时的或许状况调集。每个方块表明气体粒子的一种或许状况。上方的调集比下方大得多,因为当气体充溢房间时,会呈现更多或许的状况。

那么,这些又与黑洞有什么联系呢?经典的黑洞——在没有量子物理学的国际中存在的那种——没有熵。物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)曾说,这些经典黑洞“没有头发”,这个心爱的说法是指经典黑洞只要少量能够丈量的特征:质量(它有多大)、角动量(旋转速度有多快)和电荷(如静电的累积)。当一个物体落入黑洞时,它会对这三个量产生影响,但除此之外,任何有关它的信息都将永久消失。

这是热力学第二规则面对的一大问题!假如黑洞真的没有熵,那么任何时候一个物体落入黑洞,它的熵就会被有效地删去,这会削减国际的熵,然后违反了热力学第二规则。假如热力学第二规则能够违反,为什么咱们在日常日子中不会看到碎掉的咖啡杯自发地恢复原状?

处理这个问题的办法是引进量子物理学。1974年,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)指出,除了上面说到的3个特点外,黑洞还具有温度,即现在所谓的“霍金温度”。对该温度的热力学界说将能量改变与熵的改变联系起来,然后让霍金推测出黑洞其实也有熵,这就避免了违反热力学第二规则。现实上,因为黑洞能量会随事情视界表面积增大而添加,因而黑洞的熵与其表面积成正比,即黑洞的事情视界表面积能够成为黑洞熵的测量,这一概念开始是由雅各布·贝肯斯坦提出来的。

霍金所发现的霍金温度切当值使他能够核算出份额常数,然后取得了现在所谓的“贝肯斯坦-霍金方程”(Bekenstein–Hawking formula):

偶然的是,两人姓名的缩写“BH”刚好与黑洞的英文缩写共同。公式中SBH为黑洞的熵,A为黑洞的表面积,而kB 和

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