星星背后的物理(七)

作者: 张天蓉

来源: 知识分子

发布日期: 2016-08-26

本文探讨了黑洞热力学、黑洞的熵、霍金辐射以及黑洞信息悖论等复杂概念,展示了黑洞研究的深度和广度,以及理论物理学家们在这些领域中的挑战和突破。

一杯热茶倒进黑洞会怎样?

上一篇,我们介绍了“无毛”或只有三根毛的黑洞,这是在不考虑量子效应的情况下,是由广义相对论的几个精确解所描述的经典黑洞。如果从热力学和量子的观点来考察黑洞,情况就要复杂多了。

黑洞热力学上世纪70年代初,在美国的普林斯顿大学,惠勒教授和他的一个博士研究生正在悠然自得地喝下午茶。惠勒突发奇想,问学生:“如果你倒一杯热茶到黑洞中,会如何?

”惠勒的意思是说,热茶既有热量又有熵,但据说一切物质被黑洞吞下后就消失不见了。那么,第一个问题是:热茶包含的能量到哪里去了呢?第二个问题则与热力学有关,将热茶与黑洞一起构成一个系统,茶水倒进黑洞之后,整体的“熵值”似乎不是增加而是减少了,这不是有悖热力学第二定律吗?

黑洞的熵藏在哪儿呢?贝肯斯坦注意到1972年史蒂芬·霍金的一篇文章。霍金证明了黑洞视界的表面积永远不会减少。比如说,如果两个黑洞碰撞结合成一个新的黑洞,那么,新黑洞的视界表面积,一定大于或等于两个黑洞视界表面积之和。这个定律太像热力学的熵增加原理了!贝肯斯坦由此产生了一个大胆的假设:黑洞的熵正比于视界表面积。

黑洞信息悖论

理论越复杂带来的问题越多。尽管霍金辐射目前仍旧属于理论研究的阶段,但已经使得霍金及黑洞物理学家们伤透脑筋,霍金也多次更改他对黑洞的看法,将黑洞视界上的“毛发”性质进行着各种各样的改变。

霍金的“软毛”黑洞

纵观黑洞概念的发展,变化都纠缠于视界的附近。从经典的广义相对论观点,黑洞包含了时空的奇点,是理论应用到极致的产物。之后的黑洞热力学和霍金辐射又涉及到量子理论。因此,黑洞提供了一个相对论与量子相结合的最佳研究场所,使得理论物理学家们既兴奋又头痛。

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