科學爭論:宇宙中最有序的事物是黑洞,那麼黑洞有熵嗎?

2021-01-08 天文同好樂園

了解一點熱力學第二定律的朋友,大致對「熵」的概念都有一點了解。物理學家對熵有一個完全定量的定義,使得人們可以用確定的數值去描述一種事物的熵,即,數值越大,熵越大;數值越小,熵越小。要具體地說有點複雜,簡單來說,表示熵的數就是一個物理系統的組成元素在不影響整體表現情況下的所有可能組合方式的數量。

打個比方,你的書桌很整潔,這個時候任何一點新的翻動都會干擾原來高度有序的組合,這說明原來的熵很低。反過來說,如果你的書桌本來就亂到極點了,那麼隨便怎麼翻動,它整體還是那麼亂,整體表現並沒有受到幹擾,這說明原來就具有很高的熵。當然,決定哪些安排「不影響整體表現」,是缺乏科學精確性的。但細節並不重要,我們只需要認識到,熵是精確度量物理系統總體無序性的一個完全量子化的量子力學概念。

說到有序與無序,整個宇宙中最有序、最有組織的事物可能就是黑洞了。那麼,高度有序的黑洞也具有熵嗎?就這個問題,在物理學界其實爭論了很多年。1970年,約翰·惠勒的學生、正在讀研究生的貝肯斯坦提出了一個大膽的思想:黑洞可能有熵,而且量很大。貝肯斯坦是基於熱力學第二定律提出這個思想的,因為這個定律宣告,所有物理系統的熵總是增大的,事物都朝著更加無序的狀態演化,所以黑洞也不可能例外。

支持貝肯斯坦的人有不少,他們藉助史蒂芬·霍金·的一個著名的結論來給貝肯斯坦的思想作支撐。霍金曾經證明,黑洞的事件視界的面積在任何物理相互作用下總是增大的。假如有一顆小行星落進一個黑洞,或者黑洞附近的恆星的表面氣體被吸入黑洞,又或者兩個黑洞碰撞合併成為一個黑洞,在所有這些過程中,黑洞事件視界的面積總是增大的。

所以,貝肯斯坦一派的觀點是,在具有物理相互作用的情況下,黑洞永遠朝著更大面積的方向演化,與熱力學第二定律所說的永遠朝著更大的熵的方向演化,應該具有緊密的聯繫。貝肯斯坦指出,黑洞事件視界的面積為它的熵提供了精確的度量。然而,也有很多物理學家認為貝肯斯坦的思想不可能是正確的,經過仔細論證,他們認為原因有兩點:

第一,黑洞是高度有序的事物。我們測量黑洞的質量、它的自旋和攜帶的力荷,就能精確地確定黑洞的一切。黑洞顯然沒有足夠的結構造成無序。這就像你的書桌上僅有一枚大頭針,隨便你怎麼弄也混亂不起來。黑洞正是這樣,它的結構那麼簡單,哪兒來的無序呢?

第二,熵是量子力學的概念,而黑洞到目前為止依然屬於廣義相對論解釋的範疇,而廣義相對論與量子力學是對立的。所以,要想證明黑洞具有熵,最起碼要等待廣義相對論與量子力學能夠互相融合的那一天。如此說來,假如弦理論真如弦理論家們預測的那樣,能夠將廣義相對論與量子力學融合在一起,也許到那時,通過弦理論才能夠真正論證黑洞到底是否具有熵。

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  • 當百科全書被扔進蒸發中的黑洞……
    如果相信黑洞和外部的霍金輻射組成的系統一直是純態,沒有丟失信息,那麼應該可以發現,這兩個糾纏的系統有一樣的馮諾伊曼熵。所以,量子力學要求如下的關係: 圖2 黑洞蒸發過程中3種不同的熵曲線。藍色線表示黑洞的熱力學熵,綠色線代表霍金計算的輻射熵。黑色曲線是佩奇曲線,也是量子力學基本原理所預期的結果。
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    500億年後,宇宙中所有的恆星能量都將消耗殆盡,宇宙只剩下了白矮星,棕矮星,中子星和黑洞,此時,唯一能發熱的天體或許就是剛剛形成的中子星和白矮星的,這個時候,任何倖存的文明將會依靠在白矮星周圍,以獲取最後的保護。五千億年後,宇宙各個星系中心的超大質量黑洞開始吞噬剩下的白矮星和中子星,宇宙中最後一顆天體也消失了,整個宇宙只剩下了黑洞,這一種天體。
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