天體物理學(xué)家：黑洞實(shí)際上消耗熵

熵是構(gòu)成整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域核心的可怕深?yuàn)W概念之一（在這種情況下，熱力學(xué)），不幸的是，這太數(shù)學(xué)化了，很難用通俗易懂的語言來解釋。但我們會(huì)試一試。

每當(dāng)我看到“熵”這個(gè)詞時(shí)，我都喜歡用“計(jì)算我可以重新安排場(chǎng)景的方式數(shù)量，同時(shí)保持它基本不變”這句話來代替它。我同意，這有點(diǎn)拗口，所以熵必須做。

你在周末早上起床，決定最終完成打掃臥室的艱巨任務(wù)。

你拿起、清潔、折疊和收起你的衣服。你拉直你的床單。你把你的枕頭弄蓬松了。你整理你的內(nèi)衣抽屜。

經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)的努力，你退后一步欣賞你的手工藝品，但你已經(jīng)能感覺到胃里有一種不安的感覺。用不了多久，你就知道它會(huì)再次變得混亂。

你本能地知道這一點(diǎn)，因?yàn)橹挥幸环N獨(dú)特的方法可以擁有一個(gè)完美有序的房間，一個(gè)容納一切的地方。

只有一種方法可以實(shí)現(xiàn)這種精確的方案。既然你現(xiàn)在已經(jīng)熟悉了這個(gè)詞，你可以隨意使用它：你可能會(huì)說一個(gè)完全干凈的房間的熵非常低。

讓我們介紹一些混亂。你拿一只未配對(duì)的襪子，把它扔到你的房間里。現(xiàn)在很亂。

你可以對(duì)這種混亂進(jìn)行量化的衡量。你孤獨(dú)的襪子可以放在地板上。它可以放在床上。它可以從抽屜里伸出一半。

有很多方法可以重新安排這個(gè)場(chǎng)景——房間里出現(xiàn)一只不整潔的襪子——同時(shí)保持總體情況不變。熵更高。

然后你的狗，或者你的孩子，或者你的狗和孩子撞進(jìn)房間?；靵y接踵而至。

沒有什么是它應(yīng)該在的地方，而且?guī)缀跤杏邢迶?shù)量的方法可以達(dá)到相同程度的混亂。

這熵——挫敗感——確實(shí)非常高。

物理學(xué)家喜歡使用熵，因?yàn)樗彩菍?duì)系統(tǒng)中的信息進(jìn)行編碼的便捷方法。

因此，通過測(cè)量熵（物理學(xué)家非常熟悉的量），他們也可以掌握系統(tǒng)中的信息量。

這適用于宇宙中的任何系統(tǒng)，比如黑洞.

從1981年開始，物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）——他的工作差一點(diǎn)就讓我們提到貝肯斯坦輻射——發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)于黑洞及其事件視界的非直觀事實(shí)。

首先，黑洞中包含的體積代表了宇宙中任何類似大小的體積所能具有的絕對(duì)最大熵量。

換句話說，黑洞是最大熵.讓它沉入其中。

無論你的房間變得多么凌亂，無論你有意或無意地增加了它的熵，你永遠(yuǎn)無法擊敗一個(gè)房間大小的熵黑洞.這一事實(shí)應(yīng)該立即引起一些令人不安但耐人尋味的問題。

在宇宙中所有奇妙的創(chuàng)造中，為什么大自然選擇黑洞來容納最多的熵？這僅僅是巧合，還是這教會(huì)了我們一些關(guān)于量子力學(xué)、引力和信息之間聯(lián)系的有價(jià)值的東西？

當(dāng)你了解到貝肯斯坦發(fā)現(xiàn)的關(guān)于黑洞的第二個(gè)事實(shí)時(shí)，這種不安和興奮的雙重感覺應(yīng)該會(huì)加劇。當(dāng)你向黑洞添加信息時(shí)，它變大了.

這本身并不奇怪，但黑洞——而且只有黑洞——以這樣的方式增長(zhǎng)，即它們的表面積，而不是它們的體積，與傳遞到它們的新信息量成比例地增長(zhǎng)。

如果你以宇宙中的任何其他系統(tǒng)為例——一顆恒星吞噬一顆行星，你吞噬了芝士漢堡——組合系統(tǒng)的熵和信息都會(huì)上升。音量也是如此（無論是對(duì)明星還是對(duì)你）。

而且數(shù)量與信息量的增加成正比。

但是黑洞，出于某種我們?nèi)匀粺o法理解的原因，違背了這種常識(shí)性的直覺圖景。

保羅·薩特（Paul M. Sutter）是一位理論宇宙學(xué)家和屢獲殊榮的科學(xué)傳播者。他是石溪大學(xué)高級(jí)計(jì)算科學(xué)研究所的研究教授，也是紐約市熨斗研究所計(jì)算天體物理中心的客座研究員。

本文最初由今日宇宙.閱讀原文.

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