最開始,黑洞在我們印象中算得上是宇宙中最神秘的天體了,而霍金髮現黑洞的視界面(黑洞的邊界面)可以產生粒子輻射之後,黑洞表面同時也就具有了溫度,後來貝肯斯坦連黑洞的熵都算了出來,這樣黑洞才算是更親切了一些。
那麼什麼是熵?熱力學中,將熵定義為描述系統無序度即混亂程度的一個量。例如一個房間,東西擺放得越雜亂無章,它的熵越大;東西擺放得越整齊,它的熵越小。
可是,你還記得黑洞的無毛定理嗎,意思就是黑洞簡單到僅僅只需要幾個參數(質量、電荷、角動量)就可以完全被描述,作為最簡單的天體,黑洞也應該是高度有序的,那麼黑洞的熵到底是哪來的?它代表著黑洞哪方面的無序度?
首先,如果不考慮黑洞輻射而損失的質量,那麼黑洞的視界面面積會處於永不減小的狀態,因為黑洞的質量決定了黑洞的視界面積,而黑洞質量只會增加(它永遠都在將其它物體吸引過來而增加自己的質量),那麼視界面積就只能增加不可能減小,這就是黑洞的面積不減定理。
黑洞的面積不減定理,讓物理學家想到了熱力學中的熵增定律,一個孤立系統在不注入能量的情況下,熵只會增加不會減小。這就像你的房間,在你不整理的時候,它會因你的存在而變得越來越凌亂。
再考慮到黑洞視界面以內,所有物質都集中在了黑洞中心那個無限緻密的奇點上,這使得黑洞內部變得井然有序,物理學家推測,如果黑洞具有熵,那麼它的熵一定表現在黑洞的邊界面——視界面上,而不是表現在黑洞的內部空間中。
但在廣義相對論中,黑洞的視界面是一個平滑連續的球形面,它怎麼會有熵呢?物理學家又想到了距離的下限——普朗克長度,在考慮到量子效應時,普朗克長度形成的面積在視界面上的數量,就應該與黑洞熵有關。
考慮到一個粒子如光子被禁錮在視界面上時,其波長會分布在視界面上,而它的一個波長至少應該佔據兩個普朗克長度,這是因為一個波長是由波峰到波谷、波谷到波峰兩部分組成,它們必須在至少兩個普朗克長度上才能同時有意義。現在我們讓2倍普朗克長度波長的光子,波長再增加,它則只能增加到4倍,再增加,只能增加到6倍...
這就意味著,視界面的某一周長上(注意視界面可能是橢球面),不同波長的光子數量最多只有周長對於2倍普朗克常數的倍數個。我們再將它擴展到視界面上,整個視界面能夠包含的不同波長的光子數量,最多就是視界面面積除以2倍普朗克長度括號外的平方。
對於這個視界面上不同波長粒子數量的最大值,我們再用熵的定義,給其乘以玻爾茲曼常數,並取掉對數符號(因為這個數量已經是視界面統計性質的波長結構的數量),就得到黑洞的貝肯斯坦熵公式。
最終你會發現,黑洞熵的意義就是以玻爾茲曼常數為比例,黑洞視界面上包含的不同波長粒子的最大數量。黑洞就是這麼奇妙,它的熵完全表現在邊界面上,就像它的溫度也僅僅表現在邊界面上一樣,而它的內部,熵與溫度這兩個概念都失去了意義!
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