正值《某科學(xué)的超電磁炮T》熱播，在整理這期物理之美第5篇的想法的時(shí)候，突然想到，我也正好想要作一些“某系列中的現(xiàn)實(shí)物理學(xué)”，這一期預(yù)定的內(nèi)容也剛好能作為這個(gè)科普，于是這一期就從超炮里的物理學(xué)開始，講述這期“物理之美”科普預(yù)定的內(nèi)容：黑洞熱力學(xué)。（這個(gè)系列有沒有后續(xù)還不知道呢（笑））

虛空爆炸【Graviton】是超電磁炮的第一個(gè)事件（動(dòng)畫里的第二個(gè)事件），犯人的能力是以鋁為原材料，保持引力子數(shù)量不變，提高其運(yùn)動(dòng)速度，然后向周圍炸開使其變成炸彈。

但是了解一些這方面物理的人就會(huì)看出這里有個(gè)很明顯的漏洞：廣義相對(duì)論里的引力波（其量子化也就是引力子）以光速前進(jìn)，光速是物體運(yùn)動(dòng)的極限速度，怎么可能再加速！

河馬的物理有錯(cuò)確實(shí)是常事（雖然這么說但是仔細(xì)一想也就一兩個(gè)小地方），但是這不影響我們的二次創(chuàng)作可以修復(fù)物理上的漏洞，比如說我們?cè)谙旅鎸⒁榻B的物理領(lǐng)域，可以給虛空爆炸提供一個(gè)物理學(xué)上的解釋，并且還有一些副產(chǎn)物…比如，初春等人在Seventh Mist發(fā)生虛空爆炸時(shí)，如果初春在炸彈爆炸前拿起炸彈并發(fā)動(dòng)能力的話，炸彈將不會(huì)爆炸！

初春的能力定溫保存【Thermal Hand】和這個(gè)東西到底有啥關(guān)系，我們還是慢慢從銜接上一個(gè)part的黑洞開始說起。

1915年，愛因斯坦【Einstein】發(fā)表廣義相對(duì)論，為在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上解釋引力的一個(gè)理論。愛因斯坦將引力解釋為時(shí)空彎曲，并提出愛因斯坦場(chǎng)方程，這一部分在part4有所介紹。大體上，就像在橡皮膜上放置物體一樣，橡皮膜會(huì)下沉，引起周圍時(shí)空的彎曲，從而使周圍的小質(zhì)量物體繞其旋轉(zhuǎn)或是墜落。

愛因斯坦場(chǎng)方程是如此的難解，以至于第一個(gè)特殊情況的精確解是1916年由史瓦西【Schwarzschild】解出的史瓦西解。史瓦西解描述球?qū)ΨQ星體外部的引力場(chǎng)，廣義相對(duì)論的三大經(jīng)典預(yù)言：光譜紅移、光線彎折、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)即是用史瓦西解可以得出的預(yù)言。

史瓦西解隱含有一個(gè)可能的情況：考慮如果一個(gè)星體的密度是如此之大，半徑是如此之小，以至于其表面以光速行進(jìn)的物體都無法逃脫——它就變成了黑洞。在黑洞的內(nèi)部，就連星體本身都沒有力量抵擋引力的坍縮，所有質(zhì)量便都會(huì)集中到一個(gè)體積為零，密度無限大的奇點(diǎn)上。

乍一看，虛空爆炸的能力和這個(gè)很像：給物體以巨大的向內(nèi)引力使其變成黑洞。如果這樣制造出的確實(shí)是黑洞，那么，僅從廣義相對(duì)論的角度，黑洞是一個(gè)只進(jìn)不出的無底洞，它只會(huì)慢慢的吞噬周圍的物體甚至最后可能將地球吞噬。但是，這并不是實(shí)際的情況。

目前的物理學(xué)有兩大主要理論，上面所說的、處理引力的廣義相對(duì)論描述宇宙尺度的現(xiàn)象，而小到光學(xué)顯微鏡都看不到的微小領(lǐng)域，那里是量子力學(xué)的世界。在量子的影響下，粒子被運(yùn)動(dòng)著的一團(tuán)概率云所替代（某系列里的超能力開發(fā)的原理便是觀測(cè)使概率波坍縮）。這“最小”與“最大”的兩個(gè)理論，它們從基本假設(shè)開始就大相徑庭，有著難以調(diào)和的矛盾。但是，有如黑洞一樣的星體，亦或是大爆炸初期的宇宙，它們又微小，又含有強(qiáng)大的引力，必須要一個(gè)“量子引力論”才能很好的描述。目前有一些結(jié)合這兩者的理論，諸如認(rèn)為時(shí)空有十一維的超弦理論（白井黑子的空間移動(dòng)【Teleportation】就是以這一理論為基礎(chǔ)），認(rèn)為時(shí)間與空間本身是離散網(wǎng)格狀的圈量子引力論等，但是目前尚未有被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的理論。

1974年，霍金【Hawking】使用彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論——一個(gè)僅僅將量子理論與時(shí)空彎曲結(jié)合的半成品理論——預(yù)言，黑洞不只是一個(gè)只進(jìn)不出的無底洞，它也會(huì)發(fā)出輻射。

在量子場(chǎng)論中，真空并不是空的，有著不斷出現(xiàn)并消失的虛粒子對(duì)。但是由于能量守恒定律的限制，這些真空泡沫并不能成為真實(shí)的現(xiàn)象，只能作為數(shù)學(xué)上的修正，對(duì)經(jīng)過其中的粒子產(chǎn)生微弱的影響。

但是在黑洞邊緣，也就是所謂的事件視界附近，情況就不一樣了。那里的引力是如此的強(qiáng)大，時(shí)間與空間完全被扭曲，以至于落入黑洞的粒子，在外界看來可能有負(fù)數(shù)的能量。在黑洞邊緣產(chǎn)生的一對(duì)虛粒子，其中一者沿著外界看來是負(fù)能量的軌道掉入黑洞，另一者則變成實(shí)粒子向外輻射出去，這樣就不會(huì)破壞能量守恒，而且從外部看來，黑洞的能量減少了。這種輻射也被叫做霍金輻射【Hawking radiation】。

（p.s.完全無關(guān)的話題，知道東方Project里的霧雨魔理沙有一張通常被翻譯成「黑洞邊緣」的符卡，它的原本日文是Event Horizon——也就是直譯應(yīng)該是「事件視界」——嗎？）

但是它又和初春的熱力學(xué)有著什么樣的關(guān)聯(lián)呢？

物體不論溫度高低，都會(huì)釋放出熱輻射，可以被所謂的黑體輻射譜描述。黑體輻射譜只與物體的溫度有關(guān)，通常情況下，相當(dāng)于人類體溫的溫度的黑體發(fā)射出的熱輻射在紅外線區(qū)域，疫情中可以遠(yuǎn)距離測(cè)量體溫的測(cè)溫槍的原理就是檢測(cè)人體發(fā)射出的紅外線。燒紅的鐵塊和通常情況的火苗是紅色的，也是因?yàn)槟莻€(gè)溫度的黑體輻射譜在紅色可見光區(qū)域。而更高溫度的火焰，比如家里的爐灶開到大火，中心的溫度一般會(huì)更高，那個(gè)溫度的黑體輻射譜在藍(lán)色可見光區(qū)域，能看到藍(lán)色的火焰。

彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論的計(jì)算結(jié)果顯示，黑洞的霍金輻射的能譜和黑體輻射的是一致的！

而且不僅僅是這樣。穩(wěn)恒狀態(tài)的熱力學(xué)第一定律中，有一項(xiàng)是物體吸收的熱量等于溫度乘以熵的變化量。對(duì)于穩(wěn)態(tài)黑洞的一些研究顯示，對(duì)于穩(wěn)態(tài)黑洞的無限小變化也有類似的方程！其中，代替溫度的是黑洞的表面引力，代替熵的是黑洞的事件視界表面積（兩者都需要乘一個(gè)常數(shù)系數(shù)）。

這一系列研究表明，黑洞也和一個(gè)黑體一樣會(huì)發(fā)射熱輻射，也滿足熱力學(xué)定律，也有溫度和熵的概念（關(guān)于熵的概念在下面會(huì)有介紹）。

但是黑洞和我們?nèi)粘Ｒ姷降奈矬w還是有著很大的不同。一般的物體，在發(fā)射熱輻射之后自身會(huì)變冷，吸收熱輻射會(huì)變熱，物體和外界的熱交換會(huì)慢慢地達(dá)到平衡。黑洞在發(fā)射霍金輻射之后，溫度卻會(huì)上升。這意味著，高溫的黑洞會(huì)變得更熱，而比環(huán)境溫度低的黑洞在吸收環(huán)境輻射之后卻會(huì)變得更冷。如果能夠形成一個(gè)微型黑洞，比如像虛空爆炸中的鋁罐，它的溫度會(huì)異常地高，可能達(dá)到幾億億億度，它會(huì)在很快的時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)殆盡，釋放出極高能的伽馬射線而爆炸。

初春飾利的能力是定溫保存【Thermal Hand】，能夠保持自己手中的物體的溫度不變。所以，如果初春對(duì)即將爆炸的虛空爆炸炸彈發(fā)動(dòng)能力，可以維持其溫度不變，而讓它不發(fā)生爆炸！（但是事實(shí)上只要她解除能力，炸彈還是會(huì)瞬間引爆，如果想安全解除還是需要另一些能力比如座標(biāo)移動(dòng)【Move Point】或者幻想殺手【Imagine Breaker】之類的…）

（這里還有一個(gè)小問題，如果是一個(gè)純粹的微型黑洞，按理來講其蒸發(fā)只會(huì)釋放出高能的伽馬射線以及一些中微子引力子等等，并不會(huì)造成超電磁炮里那樣的爆炸效果。對(duì)于像虛空爆炸一樣，由物體受引力坍縮而來的黑洞，可以想象在物體還沒有完全被黑洞吸收之時(shí)爆炸就會(huì)發(fā)生，就像超新星的形成一樣，正在向內(nèi)坍縮的物質(zhì)受到內(nèi)層的伽馬射線暴的沖擊而炸開，產(chǎn)生包含大量碎片的強(qiáng)烈的爆炸也是有可能的。）

剛才只講了黑洞熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)定律有四個(gè)，從第零一直到第三，可以看到，穩(wěn)態(tài)黑洞有著完全相似的四條定律。先來表述一下第零和第三定律：

熱力學(xué)第零定律：與一個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)（溫度相等）的兩個(gè)系統(tǒng)，互相也處于熱平衡（溫度也相等）。

熱力學(xué)第三定律：不能通過有限步驟使物體達(dá)到絕對(duì)零度。

黑洞熱力學(xué)第零定律：一個(gè)穩(wěn)態(tài)黑洞的表面引力為常數(shù)。

黑洞熱力學(xué)第三定律：不能將黑洞的表面引力降低至零。

黑洞的表面引力為什么可能是零呢？拿帶電的球?qū)ΨQ黑洞來說，它并不僅僅有一個(gè)事件視界，而是有內(nèi)視界與外視界，在奇點(diǎn)之外，有兩個(gè)球狀的表面。就像高中數(shù)學(xué)，一個(gè)二次函數(shù)的兩個(gè)零點(diǎn)一樣，如果我們讓兩個(gè)零點(diǎn)重合，也就是內(nèi)視界與外視界重合，可以算出，這時(shí)視界表面的引力為零。如果再進(jìn)一步，讓這個(gè)二次函數(shù)沒有零點(diǎn)，那么將會(huì)導(dǎo)致沒有視界包圍的裸奇點(diǎn)的出現(xiàn)。裸奇點(diǎn)如果存在，會(huì)產(chǎn)生一些很奇怪的效應(yīng)，實(shí)際上根據(jù)上面所說的第三定律，通常情況下不能制造出裸奇點(diǎn)。

熱力學(xué)第二定律的表述是這樣的：一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是不會(huì)減少。一個(gè)等價(jià)的表述是熱量不會(huì)自發(fā)的從低溫流向高溫。

熵描述的是系統(tǒng)的混亂程度，它可以由系統(tǒng)可能的狀態(tài)數(shù)來計(jì)算，系統(tǒng)可能的狀態(tài)越多，系統(tǒng)就越混亂無序，熵就越大。熱力學(xué)第二定律描述的內(nèi)容實(shí)際是，系統(tǒng)不會(huì)自發(fā)的從無序變?yōu)橛行颉?br/>

對(duì)應(yīng)的黑洞熱力學(xué)第二定律則是：穩(wěn)態(tài)黑洞的事件視界表面積不會(huì)減少。（實(shí)際上，起初的這一定律并沒有考慮到霍金輻射，發(fā)出霍金輻射本身就會(huì)使事件視界表面積減少。所以這一定律應(yīng)該是：（由事件視界表面積計(jì)算出的）黑洞的熵與周圍環(huán)境的熵總和不會(huì)減少。這是被計(jì)算所證實(shí)的，如文獻(xiàn)（現(xiàn)查的）Don N Page,?New Journal of Physics?7, 203 (2005)）

熵同樣代表物體所包含的信息。1948年，香農(nóng)【Shannon】在信息學(xué)領(lǐng)域提出了信息熵的概念，之后被發(fā)現(xiàn)信息熵和物理上的熵有著十分類似的關(guān)系。比如著名的麥克斯韋妖思想實(shí)驗(yàn)：一個(gè)盒子被分成兩個(gè)部分，有一個(gè)小妖在中間控制開關(guān)，它會(huì)把運(yùn)動(dòng)的快的粒子分到右側(cè)，而把運(yùn)動(dòng)的慢的粒子分到左側(cè)。微觀運(yùn)動(dòng)的快的粒子其溫度就高，也就是說這個(gè)操作使得熱量從低溫流向了高溫…熱力學(xué)第二定律被破壞了！

但是實(shí)際上并不是這樣的。讀取粒子的速度是快還是慢實(shí)際上發(fā)生了信息交換——這個(gè)小妖從系統(tǒng)中抽走了信息，所以系統(tǒng)的熵才會(huì)減少！

熱力學(xué)和信息學(xué)在這方面有著這么奇妙的關(guān)聯(lián)，而我們知道，超能力為熱學(xué)領(lǐng)域能力的初春飾利有著極強(qiáng)的情報(bào)處理能力以及學(xué)園都市第一的黑客能力…這背后有著什么不為人知的陰謀嗎(

結(jié)語(yǔ)

……好像物理部分沒有什么需要結(jié)語(yǔ)的。雖然我很想把最一開始寫的關(guān)于白矮星、中子星和黑洞的部分放進(jìn)來，但是好像沒地方放了。

關(guān)于某系列x現(xiàn)實(shí)物理學(xué)，推薦一本某系列的同人小說《事象的宏圖》，作者是真白金剛石。它的女主是原創(chuàng)人物海原穹乃，是Level?5的引力使【Gravitation】，有著以廣義相對(duì)論與圈量子引力論為基礎(chǔ)使用的能力；男主則是她的哥哥，原作人物海原光貴，有著把應(yīng)用性發(fā)揮到極致的Level 4念動(dòng)力；穹乃的室友，星川未有，能力為希爾伯特空間投影效應(yīng)【Hilbert Space Projection Effect】，是一種感知事件在希爾伯特空間中的投影來一定程度上預(yù)知未來的能力，也能夠放大量子力學(xué)效應(yīng)，或是偏轉(zhuǎn)別人的超能力。文章在物理和故事的角度都很有趣，也包括了很多物理學(xué)家的趣事趣聞，推薦有興趣的人去看一下（笑）

還有，筆者寫過一個(gè)“某系列世界觀里的論文”主題的……半篇論文，《RuR實(shí)驗(yàn)上AIM玻色子與夸克的一個(gè)新時(shí)軸束縛態(tài)的發(fā)現(xiàn)》（雖然就算是一年之后現(xiàn)在回去看也有很多現(xiàn)在覺得不太對(duì)勁的地方見諒orz），是在學(xué)園都市那個(gè)粒子加速器【Hula Loop】上進(jìn)行的研究：https://shedarshian.github.io/blog/%E5%8A%A8%E7%94%BB/aim_boson.html。AIM擴(kuò)散力場(chǎng)的量子化，Aim玻色子什么的，也能夠成功的解釋一些東西哦（笑）

最后……初春可愛！