首頁 牛津通識課:黑洞、光、行星、引力

05 黑洞的熵和熱力學 Entropy and Thermodynamics of Black Holes

人如其食

人們常說人如其食。因此,如果你的飲食純粹是垃圾食品和巧克力,那麽你的氣色和身心健康都將與你食用以沙拉和地中海式飲食為主的健康食品時大不相同。但是,黑洞似乎並不挑食。無論是吸收廣闊的星際塵埃還是吸收一整個立方光年的煎蛋,它們的質量都會無可避免地增加。實際上,在黑洞吃完豐盛的食物後,你無法分辨它吃了什麽,隻能知道它吃了多少(不過你可以分辨它吃的東西是否帶有電荷或角動量)。你隻知道飲食的數量,而不是飲食的品質。第2章中描述的“無毛定理”說,黑洞僅有很少的參數(質量、電荷和角動量)表征,因此我們無法去討論黑洞是由什麽構成的。

缺乏對黑洞所吸入的物質性質的了解,看起來似乎是個微不足道的事情,但實際卻有深遠影響。有關黑洞午餐菜單的信息從根本上丟失了。落入黑洞的任何事物都已放棄了自己的特性,我們無法對它進行探測,也無法了解關於它的任何細節。

黑洞與引擎

對於那些研究過熱力學這門美麗的學科的人來說,以下情況再熟悉不過了。在該領域,理解信息是如何通過物理過程丟失或耗散掉是很容易的。熱力學有著悠久而有趣的曆史。關於熱力學的現代理論始於工業革命,當時人們試圖研究如何提高蒸汽機的效率。在對“能量”進行定義時,應要求其始終保持守恒,並且可以在不同形式之間進行轉換,這被稱為熱力學第一定律。盡管你可以讓能量在不同類型之間進行一些轉換,有些特殊的轉換卻是不被允許的。例如,盡管你可以將機械功完全轉換為熱(每當你踩刹車令汽車完全停住時都在這樣做),但你無法將熱量完全轉化為機械功;不幸的是,這正是我們想用蒸汽機做到的事情。因此,火車中的蒸汽機隻能將爐子中的熱量部分地轉化為使車輪轉動的機械功。人們最終意識到,熱是一種涉及原子隨機運動的能量,而機械功則涉及一些諸如輪子或者活塞這種大塊物質的協同運動。因此,熱的本質中的一個重要部分就是隨機性:由於熱的物體內原子的振動,你將無法跟蹤單個原子的運動軌跡。這種隨機運動不可能在沒有任何額外代價的情況下被非隨機化。在任何孤立係統的各種物理過程中,專業名稱為熵的這種隨機性都不會減少,且必須始終保持不變或增加——這就是熱力學第二定律。對這種現象的一個解釋是,由於無法跟蹤大型係統中所有原子的運動,我們所知的關於世界的信息總是在減少。隨著能量從宏觀尺度轉移到微觀尺度,也就是從簡單的活塞運動轉化為大量原子的隨機運動,對於我們來說信息就丟失了。熱力學使我們能夠將這個模糊的概念完全定量化。事實證明,這種信息的丟失與我們所描述的物質落入黑洞是完全類似的。