史蒂芬·霍金的黑洞定律剛剛得到重大升級

黑洞是已知宇宙中最極端的物體之一。它們將大量的質量壓縮到一個令人難以置信的小區域，產生如此強烈的引力，甚至連光也無法逃脫。為了理解這些宇宙物體，物理學家依賴愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。

20 世紀 70 年代初，史蒂芬·霍金和其他研究人員發現了熱力學定律與黑洞行為之間令人驚訝的聯繫，熱力學定律描述了眾所周知的過程，例如在爐子中加熱水。

阿瑟頓大學教授、賓州州立大學埃伯利理學院埃文·皮尤物理學名譽教授、研究團隊負責人阿拜·阿什特卡 (Abhay Ashtekar) 表示：“霍金的黑洞力學定律在極端物理學和傳統物理學之間提供了令人興奮的聯繫，50 年來一直是一種範式，但它們有嚴重的局限性。” 「它們是為處於平衡狀態或隨時間不變的黑洞制定的，但黑洞不斷變化、形成、合併並最終蒸發。我們希望找到一種方法來克服這一限制，並將定律擴展到不平衡的黑洞。”

阿什特卡和他的同事現在提出了一種確定黑洞熵的新方法，熵是衡量無序性的量，根據熱力學第二定律，熵永遠不會減少。他們的研究結果發表於 體檢信 並被選為編輯建議，包括與黑洞的自旋和能量更密切相關的熵度量。研究人員表示，這可以提高科學家對黑洞融合和蒸發等動力學事件的理解。

為什麼霍金的框架需要更新

「黑洞力學定律直接來自愛因斯坦方程，」賓州州立大學物理學研究生、論文的合著者丹尼爾·E·帕拉伊索（Daniel E. Paraizo）說。 “由於你無法看到黑洞，所以似乎有無數種方法可以通過使其熵無窮大來製造黑洞。而且，人們認為它們會吸收能量並且從不輻射能量，因此它們的溫度為零。”

起初，這些想法使黑洞看起來與已知的熱力學定律不相容，因為它們具有無限的熵且沒有溫度。霍金後來利用量子力學證明黑洞可以發射粒子和能量，改變了這個局面。

帕萊佐說：“這改變了我們對黑洞熱力學性質的思考方式，從一種由方程式描述的數學概念轉變為物理現實。” “這為尋找熱力學中使用的熵和溫度的黑洞類比打開了大門。”

霍金提出，黑洞事件視界（即使是光也無法逃逸的邊界）的大小與其熵成正比。他還表明，黑洞的溫度取決於質量和自旋的組合。

動態黑洞的更好測量

研究人員表示，問題在於霍金的方法只有在黑洞處於平衡狀態時才有效。

「然而，存在一個問題，」賓州州立大學物理學研究生、該論文的合著者喬納森·舒（Jonathan Shu）說。 「這些類比只適用於處於平衡狀態的黑洞。在動態情況下，事件視界可以在我們所謂的平坦時空區域中形成和生長，在那裡什麼也不會發生。這使得它們具有目的論——它們的屬性不能僅僅由黑洞的局部物理決定，而是依賴於事件的預測。如果我們想了解動態的生長、蒸發和合併，我們需要一個可行的替代方案。

該團隊的解決方案用物理學家所說的「動態視界」取代了傳統的事件視界，這一概念已廣泛應用於黑洞的電腦模擬中。與事件視界不同，動態視界是由黑洞在特定時刻的屬性定義的，避免了依賴未來事件的複雜性。

阿什特卡說：「這使我們能夠將熱力學第一定律和第二定律擴展到非平衡黑洞，從而突破了半個多世紀以來使用的範式的界限。」「我們可以將這些一般定律應用於量子理論，以更好地理解蒸發黑洞和黑洞合併，例如 LIGO-Virgo-KAGRA 合作利用引力波檢測到的黑洞。」

這項研究得到了賓州州立大學阿瑟頓教授計畫和賓州州立大學埃伯利科學學院的支持。