連黑洞都逃不過的熵增定律，黑洞無毛為何還有熵？

“黑洞”的發現

1915年，物理學家愛因斯坦提出聞名的“愛因斯坦場”方程。在德軍東線疆場里服役的天文學家卡爾·史瓦西，在一封信上看見了愛因斯坦的這項顫動的理論發現。

因為算法原因，愛因斯坦場方程在那時只有近似解，這點燃了史瓦西的科研欲望。在炮火連天的前沿陣地，他操縱作戰間隙潛心研究，他居然給出了這個方程的切確解，解決了這項宿世界級物理難題。

在“愛因斯坦場“方程中，愛因斯坦沿用的是傳統的直角坐標系，所以對一個對稱的、不自旋、不帶電荷的有質量球體進行計較，只能給出一個近似解。但史瓦西則另辟門路，他引入的坐標系近似于極坐標系，從而可以得出切確解。

他將本身的研究當作果寄給愛因斯坦，獲得了愛因斯坦的夸贊。愛因斯坦場方程的這個切確解，從此被定名為“史瓦西度規”，這也恰是愛因斯坦場方程的第一個切確解。

而在此根本之上，史瓦西發出了第二篇論文，此中給出了“史瓦西內解”，以及計較黑洞視界半徑的公式，由此，黑洞的視界半徑便被稱為“史瓦西半徑”，并把上述天體四周史瓦西半徑處的想象中的球面，叫作視界。

簡單來說，史瓦西設定了這樣一個天體，它的電荷量為0，也就是它呈電中性，它的角動量為0，也就是不自轉，宇宙常數也為0。這本可以用于描述地球和太陽之類自轉遲緩的天體，但若是它的質量增大到足夠大之后，它的逃逸速度將跨越光速。這就意味著沒有任何工具可以或許逃出它的魔掌，所以它自己也無法被看見，這就是“黑洞”。

史瓦西的這篇論文，讓大師從此知道了，在茫茫宇宙之中存在著“黑洞”這種特別的天體，然而那個時辰史瓦西并不喜好這樣的計較成果，所以并沒有給這種特別天體起名字。

黑洞無毛理論

1939年，“原槍彈之父”奧本海默在史瓦西的根本上，經由過程對愛因斯坦場方程的推導，得出了這樣的結論：”一顆足夠重量的死恒星將會崩裂，它制造出極密的聚積，乃至光都無法穿越。這顆恒星會一向割裂下去，而宇宙空間則會像個黑大氅一樣將其包裹。在這個聚積中間，空間會無盡地彎曲，物質無限密集，形當作一種既密實又單一的矛盾氣象。”

這也就是我們此刻說的物質為零的“黑洞中間”。可是那個時辰還沒有一個精確的詞去描述這種現象。

曾研究出“液滴模子”，為后來的原槍彈制造打下了根本的聞名科學家惠勒卻否決奧本海默的說法，他在1958年與奧本海默的論戰中，曾信誓旦旦地說：“這個解體理論未能很好地詮釋近似恒星中物質的命運，物質怎么可能竟然成長到無物質呢。究竟結果，物理法例怎么可能成長到違反本身以達到“無物理”的境界呢？”

然而，當跟著詮釋這顆崩裂行星的內部和外部的數學公式呈現時，他與其他一些學者都被說服了，當作了忠厚擁護者。

1969年在紐約的一次會議上，他為了說服場下聽眾，他靈機一動，冒出了“黑洞”這個詞，以描述這些恒星恐怖而布滿戲劇性的命運。“黑洞”一詞從此傳播開來。

惠勒那時提出了聞名的“黑洞無毛定理”。這個定理是對經典黑洞簡單性的論述，它說的是，無論什么樣的天體，一旦塌縮當作為黑洞，幾乎不連結形當作它的物質所具有的任何復雜性質。它對前身物質的外形或當作分都沒有記憶，它就只剩下電荷、質量和角動量三個最根基的性質。質量M發生黑洞的視界；角動量L是扭轉黑洞的特征，在其四周空間發生渦旋；電荷Q在黑洞四周發射出電力線，這三個物理守恒量獨一地確定了黑洞的性質。是以，也有人將此定理戲稱為“黑洞三毛定理”。（毛發是形象地比方黑洞就是光禿禿一個天體，沒有任何復雜性質）

1973年霍金、卡特爾等人嚴酷證實了“黑洞無毛定理”：“無論什么樣的黑洞，其最終性質僅由幾個物理量（質量、角動量、電荷）獨一確定”。

霍金在1971~1972年研究了黑洞事務視界截面面積的演化，并發現這個面積是不減的。這就是所謂的黑洞面積定理。黑洞無毛定理表白黑洞的形當作會導致熵的丟掉。

簡單而言，霍金認為：黑洞無毛也無熵增。這在那時獲得了很多科學家的認同，按照愛因斯坦廣義相對論所預言的“經典黑洞”，是無毛的，看起來似乎無熵可言！

可是有一位科學家暗示了否決，那就是惠勒的學生貝肯斯坦。貝肯斯坦認為，為了保留熱力學第二定律，黑洞必然要有“熵”！

“熵”是什么

跟著科學的成長，牛頓經典力學的一些局限性也表露了出來，好比牛頓經典力學認為力學過程是可逆的，可逆性是指時候反演，即過程按相反的挨次進行。在經典力學的活動方程中，把時候參量 t換當作-t，就意味著過程按相反的挨次歷經本來的一切狀況，最后回到初始狀況。

1850 年克勞修斯在論文中提出了一條根基定律：“沒有某種動力的耗損或其他轉變，不成能使熱從低溫轉移到高溫。”

這個定律被稱為熱力學第二定律。而熱力學第二定律則與力學過程的可逆性相矛盾。

所以克勞修斯在 1854 年的漫筆《關于熱的力學理論的第二根本定理的一個批改形式》提出了一個反映自覺過程不成逆性的物質狀況參量來詮釋這種現象，來增添熱力學第二定律的說服力。

克勞修斯從熱機的效率出發，熟悉到正改變（功改變當作熱量）可以自覺進行，而負改變（熱量改變當作功）作為正改變的逆過程卻不克不及自覺進行。負改變的發生需要同時有一個正改變陪伴發生，而且正改變的能量要大于負改變，這現實是意味著天然界中的正改變是無法回復復興的。

基于此，克勞修斯提出了熱力學第二定律的又一個表述體例，也被稱為熵增道理，那就是：不成逆熱力過程中熵的微增量老是大于零。在天然過程中，一個孤立系統的總紊亂度（即“熵”）不會減小。

簡而言之就是孤立系統的熵永不主動削減，熵在可逆過程中不變，在不成逆過程中增添，可以說很是光鮮地指出了不成逆過程的進行偏向。

熵增道理是熱力學第二定律的別的一種表述形式，但卻又擁有加倍深刻的寄義，因為它締造了“熵”這個概念。

熵增道理表白，在絕熱前提下，只可能發生dS≥0 的過程，此中dS = 0 暗示可逆過程；dS>0暗示不成逆過程,dS<0 過程是不成能發生的。但可逆過程究竟結果是一個抱負過程。是以，在絕熱前提下，一切可能發生的現實過程都使系統的熵增大，直達到到均衡態。

黑洞無毛是否有熵之爭

貝肯斯坦之所以會認為黑洞無毛卻有熵，是因為那時惠勒和貝肯斯坦正在怡然自得地喝下戰書茶。惠勒突發奇想，問貝肯斯坦：“若是您倒一杯熱茶到黑洞中，會若何？”惠勒的意思是說，熱茶既有熱量又有熵，但一切物質被黑洞吞下后就消逝不見了，造當作總體的“熵值”似乎不是增添而是削減了，這不是有悖熱力學第二定律嗎？

教員提出的問題，令貝肯斯坦日夜苦思，也激發了他無比的想象力。最終貝肯斯坦才提出黑洞無毛卻有熵的論斷。他認為：“當您扔進黑洞一些物質，例如像惠勒問題中所說的一杯茶。之后，黑洞獲得了質量，黑洞的面積是和質量當作正比的，質量增添使得面積增添，因而熵也增添了。黑洞熵的增添抵消了被扔進去的茶水的熵的丟掉。”

所以貝肯斯坦才提出黑洞的熵應該正比于黑洞事務視界截面的面積。

霍金認為貝肯斯坦理解錯了他的面積不減定理，1973年，霍金與巴丁以及卡特成立了黑洞的力學四定律，來辯駁貝肯斯坦，霍金認為，若是有熵的話，就需要一個溫度的概念。有溫度就會存在熱輻射，而這對于經典黑洞來說是不成能的。因為愛因斯坦廣義相對論所預言的“經典黑洞”是無毛的，看起來似乎無熵可言！蓋羅奇甚至在1971年設計了一個模子來辯駁貝肯斯坦的說法。

貝肯斯坦陷入了一個很是尷尬的境地，然而惠勒卻很撐持他的觀點，1973年霍金拜候莫斯科，與前蘇聯物理學家澤爾多維奇和斯塔羅賓斯基會商了超輻射的問題。霍金認為澤爾多維奇和斯塔羅賓斯基關于超輻射的會商在物理上是靠得住的，但不太喜好他們計較超輻射的體例。所以在他們的根本上提出了霍金輻射與霍金溫度。然而這兩項理論的提出卻證實了貝肯斯坦的論斷是準確的！