美国物理学家约翰.阿奇博尔德.惠勒(John Archibald Wheeler)提出了“黑洞”概念之后,这一奇异的天体就不断挑战着科学家们的想象力,其不可思议的一点在于“事件视界”(event horizon)——一旦进入“事件视界”之中,任何物体都无法逃脱,哪怕是光线——物体可以穿过“事件视界”、且进入黑洞的内部,可进入黑洞的内部之后,它们再也无法出去,也不会有任何关于它们的信息。
不过,“黑洞”这一概念的提出,威胁到了现代物理学的一个基本原则,即热力学第二定律(又称“熵增定律”,一般表述为“不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他的影响”),这一定律帮助科学家们区分了过去和未来,进而定义一个“时间箭头”(arrow of time)的概念。
(黑洞)
热力学第二定律表明,任何孤立系统的特定度量,熵(S)不会随着时间的推移而降低,也就是说,熵的变化不可能是负值。因此,这一定律给了科学家们一种“时间箭头”的感觉,允许他们赋予时间一个正向性,即“时间以熵增加的方向流动”,进而“时间”这一概念得以确立。可是,量子物理学尚未开创的时代里,科学家们认为黑洞没有熵,物理学家雅各布.贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)认为,黑洞只有三个可以测量的特征,即“质量(它的大小)”、“角动量(旋转速度的快慢)”和“电荷(比如经典的累积)”。
一旦某个物体穿过“事件视界”、落入黑洞的内部,这个物体会对以上的三个量产生影响,除此之外,关于这个物体的任何信息都会彻彻底底的消失。所以,热力学第二定律面临一个大问题,若黑洞真的没有熵,那么一个物体落入黑洞中,它的熵会永久的消除,这会减少全宇宙的熵,进而违反了热力学第二定律,这样的话,“时间”概念也受到了根本性的动摇。
(黑洞)
1974年,物理学家斯蒂芬.霍金(Stephen Hawking)提出,除了“质量”、“角动量”和“电荷”三个属性之外,黑洞还有“温度”这一属性,即所谓的“霍金温度”,它将能量变化与熵的变化联系起来,使得斯蒂芬.霍金推测出了黑洞也有熵,这就避免了违背热力学第二定律。而且,黑洞的能量会随着“事件视界”表面积的增大而增加,因此黑洞的熵与“事件视界”的表面积成正比,即黑洞的“事件视界”表面积可以成为黑洞熵的量度。
科学家们的观测和研究也证实了斯蒂芬.霍金的推测,黑洞确实具有熵,他们可以通过观察黑洞的大小来估计熵的大小,所以,热力学第二定律和“时间箭头”都得以确保,时间长河仍朝着一个方向在缓缓流淌。
(黑洞)
小考题:如果时间可以倒流的话,你想回到哪一个历史时期呢?欢迎你留言讨论。
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