視界面積（熵）的增與減——廣相與量子力學(xué)的對(duì)立統(tǒng)一

黑洞面積與宇宙中混亂度息息相關(guān)。

模擬顯示倆黑洞（引力作用下）盤(pán)旋合并過(guò)程中所發(fā)射的引力波。

圖片版權(quán)所有：C. Henze/NASA Ames Research Center

倆遙遠(yuǎn)黑洞合并引發(fā)的時(shí)空漣漪證明了斯蒂芬霍金（Stephen Hawking）的著名定理，即他在1971年自愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論推導(dǎo)出的黑洞面積定理。該定理表明黑洞的表面積（視界面積）不隨時(shí)間推移而減小。此法則激起物理學(xué)家廣泛興趣——它與另一個(gè)似乎設(shè)定了時(shí)光朝特定方向推進(jìn)的規(guī)則密切相關(guān)：熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律指出封閉系統(tǒng)的熵（或是說(shuō)，總混亂度）必定始終增加。又因?yàn)楹诙吹撵嘏c其表面積成正比，所以?xún)烧叨急貙⒁恢痹黾印?/p>

根據(jù)這項(xiàng)新研究，研究人員對(duì)黑洞面積定理的證實(shí)似乎意味著黑洞的特性是探尋支配宇宙的隱藏底層鐵律的重要線(xiàn)索。奇怪的是，面積定律似乎與“黑洞應(yīng)該在極長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)蒸發(fā)”這一已被著名物理學(xué)家證明的定理相矛盾。因此找出這兩種理論之間矛盾的根源可以揭示嶄新的物理學(xué)。

“恰似熱力學(xué)第二定律，黑洞表面積不減。與此同時(shí)，黑洞還遵循質(zhì)量守恒——因?yàn)闊o(wú)法減少它的質(zhì)量，所以這也類(lèi)似能量守恒，”該證實(shí)工作的一作，麻省理工學(xué)院的天體物理學(xué)家 馬克西米利亞諾-伊西（Maximiliano Isi）告訴我們?！叭藗冋Э吹蕉叩墓残裕ê诙炊ɡ砼c熱力學(xué)第二定理/能量守恒）會(huì)驚呼 ‘哇，兩套理論串起來(lái)了，確實(shí)太奇妙太酷了’ 但我們很快意識(shí)到根本的內(nèi)在邏輯。黑洞也有熵（用熵刻畫(huà)），且熵與黑洞面積成正比。所以，這不只是一個(gè)有趣的巧合，它揭示出宇宙的深刻真理。

黑洞表面積由被稱(chēng)為事件視界的球形邊界劃定——視界內(nèi)，任何東西，甚至是光，都無(wú)法逃脫其強(qiáng)大的引力。根據(jù)霍金對(duì)廣義相對(duì)論的解釋?zhuān)捎诤诙幢砻娣e隨質(zhì)量增加而增加，并且拋入其內(nèi)的任何物體都無(wú)法逃逸，所以黑洞表面積不會(huì)減小。但是黑洞的表面積也會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)增多而縮小，所以研究者想知道是否有可能將一足夠堅(jiān)硬物體扔入黑洞來(lái)使黑洞旋轉(zhuǎn)到足以減小面積的程度。

“你（扔物入黑洞）會(huì)讓它旋轉(zhuǎn)得更多，但不足以抵消又額外添加的質(zhì)量，” 伊西談到， “無(wú)論如何，總質(zhì)量（增加）和旋轉(zhuǎn)都將最終使黑洞得到更大的面積?！?/p>

為驗(yàn)證“黑洞面積定理”理論，研究人員分析了引力波，或是說(shuō)時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪，它們?cè)?3 億年前由兩個(gè)龐大黑洞在高速盤(pán)旋中形成。高新（高級(jí)先進(jìn)）激光干涉引力波天文臺(tái) (LIGO) 在 2015 年探測(cè)到第一段波 —— 一束 1864 英里（3000 公里）長(zhǎng)的激光束，能夠通過(guò)其路徑長(zhǎng)度（光程？） （筆者不明白LIGO的工作原理，查了一點(diǎn)，說(shuō)是 干涉臂距離變動(dòng)？ ） 的改變來(lái)檢測(cè)時(shí)空中哪怕最微小的扭曲。

將信號(hào)分成兩方面來(lái)看——即，黑洞合并的前與后——研究人員計(jì)算出兩原始黑洞和新組合黑洞的質(zhì)量和自旋。這些數(shù)據(jù)反過(guò)來(lái)也使他們能夠計(jì)算坍縮前后各個(gè)黑洞的表面積。

“隨著倆黑洞相互旋轉(zhuǎn)越來(lái)越快，引力波振幅也越來(lái)越大，直到它們最終碰撞融合——形成波的大爆發(fā)，”伊西說(shuō)，“剩下的便是一個(gè)處于激發(fā)態(tài)，一個(gè)可以通過(guò)分析其振動(dòng)方式來(lái)研究的新黑洞。（簡(jiǎn)單類(lèi)比一下）比如說(shuō)，你敲響鈴鐺，它響起的特定音高和持續(xù)時(shí)間會(huì)告訴你這個(gè)鈴鐺的結(jié)構(gòu)與組分?！?/p>

新創(chuàng)建的黑洞的表面積比最初兩黑洞的表面積之和還要大，這以超過(guò)95%的置信度證實(shí)了霍金的黑洞面積定理。據(jù)研究人員稱(chēng)，他們的結(jié)果與理論預(yù)期幾乎完全一致。廣義相對(duì)論——面積定理的理論基礎(chǔ)——在描述黑洞和其他大物體方面非常有效。

然而，在研究者們?cè)噲D統(tǒng)一廣義相對(duì)論與量子力學(xué)（即分別適用于宏觀(guān)大物體與適用于微觀(guān)物體的規(guī)律）之時(shí)，真正的迷思出現(xiàn)。怪事也顯現(xiàn)出來(lái)——（統(tǒng)一廣相與量子力學(xué)）嚴(yán)重破壞了我們所有的固有硬性物理規(guī)律，也全然違反了面積定理。

這是因?yàn)楦鶕?jù)廣義相對(duì)論，黑洞不能收縮。但據(jù)量子力學(xué)黑洞收縮卻可能存在。聞名到成為標(biāo)志性人物的英國(guó)物理學(xué)家（霍金本人）在面積定理之后還提出了一個(gè)被稱(chēng)為霍金輻射的概念——通過(guò)奇異的量子效應(yīng)，一團(tuán)團(tuán)粒子霧在黑洞邊緣被輻射出。這種現(xiàn)象導(dǎo)致黑洞縮小，并最終會(huì)在比宇宙年齡長(zhǎng)幾倍的時(shí)間段內(nèi)蒸發(fā)。這種蒸發(fā)可能僅發(fā)生在足夠長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，不會(huì)在短期內(nèi)違反面積定律，但這對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)已是個(gè)小小安慰。

“從統(tǒng)計(jì)上看，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，xxx都被違反了，”伊西解釋到， “這就像燒開(kāi)水，鍋里不停有水蒸汽被蒸發(fā)出來(lái)，但如果你限定只看鍋里消失的水，你可能會(huì)說(shuō)鍋內(nèi)總熵正在減少。但如果考慮到蒸汽，整體的熵卻增加了。黑洞與霍金輻射也是如此。

隨著中短時(shí)間范圍框架下的面積定理的確立，研究者們下一步將去分析從更多引力波中獲得的數(shù)據(jù)，以期從黑洞中獲得更深見(jiàn)解。

“我對(duì)黑洞這些東西非常著迷，因?yàn)樗鼈兪悄敲聪嗷ッ?。它們又是那樣神秘并令人迷惑，但同時(shí)我們還知道它們是存在著的最簡(jiǎn)單的物體，”伊西感慨道， “加之，作為引力（廣相）與量子力學(xué)的交點(diǎn)，黑洞成為我們理解現(xiàn)實(shí)宇宙的完美樂(lè)園。”

BY: Ben Turner

FY: 崔姐的小粉絲

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