黑洞几乎破坏了时间

这篇文章是英国作家协会举办的2019年写作比赛的五名获奖者之一黑洞主动在哈佛大学。“黑洞倡议提供了一个独特的环境，用于更具创造性的，全面地思考黑洞的主题，”AVI Loeb的Bhi Director说。为了将上下文添加到令人兴奋的4月10日公告，天文学家本周首次观察到一个黑洞鹦鹉螺是所有五个获胜的散文。

B.由于首次提出了他们的存在，缺乏漏洞是迷住了我们想象力的物体。黑洞最引人注目的特征是其事件范围 - 从中​​没有任何东西可以逃脱的边界。物体可以从外面到里面的事件范围，但是一旦他们这样做，他们就永远不会逆影，也不会有关于他们的任何信息;任何穿过黑洞的事件地平线的东西都是完全从外部宇宙切断的。

多年来，黑洞的存在似乎威胁着现代物理学的一个基本原理，即热力学第二定律。这个定律帮助我们区分过去和未来，从而定义了“时间之箭”。为了理解黑洞为什么会造成这种威胁，我们需要讨论时间反转和熵。

熵和时间箭头

根据我们的观察，物理定律(大部分)在时间反转下是不变的。这意味着什么?想象一个朋友向你展示了以下视频:一个钟摆从左到右在屏幕上摆动。这个视频是正常播放还是反向播放?你们肯定见过钟摆向另一个方向摆动。如果物理定律在时间反转时没有改变，那么实际上就没有办法判断了:无论时间是向前还是向后，物理定律看起来都是一样的。

然而，这似乎没有我们的日常经历。考虑另一个视频，其中一群陶瓷碎片在地板上飞行并在桌子上休息之前将自己组装成咖啡杯。这个视频是向前还是向后播放？大多数人合理地猜测视频正在反向播放。如果物理法在逆转时真正不变，那么为什么这种直觉对我们来说很明显？原因是，虽然物理法则从技术上讲考虑到视频中显示的这种奇怪的过程，破碎的杯子是由很多很多粒子组成的事实意味着它根本不可能自发地重新组装。

这一概念由热力学的第二律法正式化，这告诉我们一定数量，熵S.，任何孤立系统的熵不能随时间减少（但可以增加）。换句话说，熵的变化不能为负：

δ.S.≥0。

熵S.是一个统计定义的概念，当我们只知道系统的“宏观”（大规模）信息时，它衡量我们对系统的基本状态缺乏了解这里，我们指的是构成整个系统的每个粒子的精确构型。例如，考虑一个充满气体的盒子。虽然我们可以很容易地测量气体的温度和压力，但实际上我们不可能知道每个气体粒子在盒子内的位置和速度。粒子的位置和速度，即能产生相同温度和压力的状态。熵编码了我们对系统实际处于哪个特定状态的无知。

与相同温度和压力一致的状态越大，熵越大。

熵不会随着时间的推移而降低的事实可以增加来自于时间反转下的不变性，再加上一个称为因果关系的额外属性。总之，它们告诉我们，一个系统的任何单一状态在过去或未来的任何时刻都只对应于一个状态——不多也不少。例如，一个状态在未来的某个时刻不能变成两个状态，并且两个国家不能成为一个国家。

现在考虑当我们打开一个大房间的气体盒子时会发生什么。如果气体开始在盒子里然后流出来填充房间，如图1A所示，那么我们可以很容易地满足盒子里的每个初始状态演变成房间中唯一的最终状态的规则。如果我们在这个过程中密切关注房间中的每一个粒子。在这个过程中，熵不会增加，因为每个初始状态都会演变成一个最终状态，但我们无法跟踪这么多变量；我们所能做的就是测量打开盒子后的温度和压力，我们会发现整个房间中气体有许许多多可能的状态，它们与新的温度和压力。在这个过程中，我们失去了关于粒子确切结构的信息，因此熵增加。如果相反，气体在房间中开始，然后流入盒子，如图1b所示，那么房间中绝大多数初始状态无处可去，根本不够所以，熵不能减少！

第二热力学定律现在给了我们一些“时间箭”的感觉。尽管物理定律是时间可逆的，但熵的统计概念使我们能够定义一段时间的时间：时间在熵增加的方向上向前流动！这就是为什么我们觉得自发重新组装咖啡杯的视频必须反向播放。

黑洞与熵

这和黑洞有什么关系呢?经典黑洞——存在于没有量子物理的世界里的那种——没有熵。物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)曾经说过，这些经典黑洞“没有头发”，这是一个可爱的短语，意思是经典黑洞只有几个可测量的属性:质量(它有多大)、角动量(它旋转的速度)和电荷(比如积累的静电)。当一个物体落入黑洞，它对这三个量有贡献，但除此之外，关于它的任何信息都永远消失了。

这对第二种热力学定律来说是一个很大的问题！如果黑洞真正没有熵，那么任何时候物体落入黑洞时，它的熵会有效地删除，减少了宇宙的熵并违反了第二热力学定律。如果没有第二种热力学定律，我们为什么不应该在我们的日常生活中重新组装咖啡杯，为什么不应该在我们的日常生活中重新组装？

解决此问题的分辨率是将量子物理添加到混合中。1974年，晚斯蒂芬霍金表明，除了上面的三个性质之外，黑洞还具有温度，现在称为霍克宁温度。温度的热力学定义与熵变化的能量变化相关，所以这种启示允许抱怨展示黑洞实际上做有熵，与第二热力学定律一致。事实上，因为当其事件地平线的表面积增加时，黑洞的能量增加，所以事实证明，黑洞的熵与其表面积成比例，这是由Bekenstein猜想的事实。

Hawking发现了霍金温度的确切价值允许他计算比例常数，导致现在被称为Bekenstein-Hawking（方便的，与“黑洞相同的字母”）公式：

在哪里S._BH.是黑洞的熵，一种是它的表面积，还有K._B.和_P.分别被称为玻尔兹曼常数和普朗克长度。这个公式后来被物理学家Andy Strominger和Cumrun Vafa等人的计算在一个特定的黑洞理论中验证。

妙语是黑洞做有熵，正如我们希望的那样，我们可以通过查看他们有多大来讲述他们所拥有的。一旦我们知道黑洞有熵，我们就有一种新形式的热力学定律，不仅包括黑洞外的宇宙，而且还包括活动地平线内的宇宙：总熵，S._全部的=S._外+S._BH.，绝不会减少。每当有东西被扔进黑洞，熵S._外在黑洞外的宇宙减少，但是令人惊讶的是黑洞的表面积，因此S._BH.，增加足以确保S._全部的没有变小。因此，保存了第二热力学和时间箭头的第二定律！

安德鲁特纳是理论物理学中心的研究生，对字符串理论和超级争夺进行研究。最初来自密苏里州的亚什兰，他是哈维泥学院的毕业生。

亚历克斯特灵是麻省理工学院物理系的研究生，在等离子科学和融合中心进行融合能源研究。他最初来自爱荷华州麦迪逊堡。

这篇文章放在黑洞研究所的论文比赛中。

铅图像信用：EvadeB / Shutterstock

本文最初发表于2019年1月的“上下文”问题。