超弦 M论的真相揭示了黑洞的熵

发布时间：2023-06-27 10:01:31 所属栏目：动态来源：互联网

导读： 　　最初最合理和有希望的解释黑洞熵以及它为何会最先出现这样的特性的方法是指出它所发出的霍金辐射,特别是辐射所具有的明确的温度。

　　当描述一团气体时，我们并没有指定其中每个

　　最初最合理和有希望的解释黑洞熵以及它为何会最先出现这样的特性的方法是指出它所发出的霍金辐射,特别是辐射所具有的明确的温度。

　　当描述一团气体时，我们并没有指定其中每个分子的位置和速度的数值；我们而是使用诸如压力和温度等量来描述它，这些量被构造为基础的、更精细的量的统计测量，如单个分子的动量和能量。

　　根据一种常见的解释，气体的熵衡量的是总描述的不完全性，就像它一样。在试图认真对待黑洞具有真正的物理熵的想法时，自然要试图为它构建这样一个统计学的起源。

　　经典广义相对论的工具不能提供这样的构造，因为它不允许将黑洞描述为一个系统，其物理属性是作为基础的、更精细的量的粗略统计措施而产生的。甚至弯曲时空上的量子场论工具也不能提供，因为它们仍然把黑洞当作一个完全以时空的经典几何定义的实体。

　　任何这样的统计核算都必须来自一种理论，这种理论将经典几何本身的描述归结为一个潜在的、也许是离散的微观状态的集合，它们本身描述了"实体 "的细粒度动态，大概是量子性质的，是黑洞的经典时空描述的基础。

　　任何旨在 "计算黑洞微观状态 "的计划都不需要接受对熵的主观主义解释，如杰恩斯。无论如何，在对熵的性质的任何看法上，都会出现一个密切相关的问题，即确定黑洞熵的"位置"是在事件视界内，还是在事件视界外。

　　解释被贝肯斯坦熵计算的这些微观状态是什么，一直是量子引力研究者热切追求的一个挑战。1996年，超弦理论家能够说明弦理论是如何产生某类经典黑洞所依据的弦态数量的，而且这个数量与贝肯斯坦熵所给出的数量相符。

　　利用环形量子引力对黑洞状态的计数也恢复了贝肯斯坦熵。在哲学上值得注意的是，这被当作这些计划的重大成功，它被提出来作为认为这些计划在正确轨道上的理由，尽管在黑洞附近没有量子效应，更不用说霍金辐射本身，曾经被实验观察过。

　　可悲的是，我们在地面实验室中没有黑洞，而那些我们有充分理由认为可以间接观测到的黑洞距离太远，考虑到它们微不足道的温度，类似于这些效应的东西是不可能被远程探测到的。

　　还有一种情况是，所有已知的推导只适用于一类非常特殊的黑洞，每个人都同意这些黑洞是不符合物理规律的。对于更普遍的、与物理有关的黑洞，没有令人信服的推导。

　　尽管如此，通过计算 "微态 "来推导贝肯斯坦熵已经成为量子引力程序的一个必要条件，即使只是针对极端黑洞的特殊情况，如果一个人不能从类似于他的程序的第一原理中做到这一点，没有人会认真对待你。

　　因为它对传统的科学方法的说法提出了一个初步的问题，并强调了基础物理学今天所面临的困难，即在许多重要领域它根本无法与经验数据接触。

　　研究了一个理论上无法预测的现象，通过将一系列看似毫无关联的不相容的理论以不同寻常的一种新的方式天衣无缝地结合起来，以便将它们的范围扩大到我们在可预见的未来没有办法测试的制度，是如何成为测试理论物理学中新想法的最重要试金石的。它能发挥这种作用吗，哲学家们还没有开始认真处理这些问题。

　　熵源于只与事件视界的几何学有关的自由度，而不是与黑洞内外的物质或时空几何学有关的自由度；是有限的，因为时空的基本结构是离散的；是 "客观的"。

　　因为有一个基于地平线本身有一个杰出的几何形状的杰出的粗略训练；遵守热力学第二定律，因为黑洞外的东西的有效动力学并不遵守标准量子演化的规则。

　　这些论点简明地抓住了黑洞熵与普通热力学熵的根本不同。第一个，从黑洞力学的第二定律已经很明显，强调了一个事实，即黑洞熵与系统的表面积成正比，而不是像普通热力学系统那样与体积成正比。

　　第二条阐明了这样一个事实，其统计数据被推测为引起熵的基本实体是在当代物理学中也许是最基本的结构，时空本身的组成成分，而不是像原子这样的高级衍生实体，在我们最深的物质理论，量子场理论中，它们不是基本的。

　　第三条强调，与普通物质的统计力学中没有 "自然 "的底层微观自由度的粗放方式相反，这里有一个独特的自然的，与视件视界的几何形状是独特的这一事实密切相关，而普朗克尺度提供了一个被许多人认为是物理上的特权的面积单位的测量。

　　第四条指出，黑洞热力学的第二定律，被概括为包括黑洞和普通物质的贡献，并不是像普通物质的第二定律那样，从现象学上得出的经验概括；相反，它直接来自最基本的动力学原理，即量子演化，并与广义相对论中的空间基本几何学相结合。

　　只要人们认真对待贝肯斯坦熵作为真正的热力学熵，这些差异强烈地表明，将熵扩展到黑洞不仅应该修改和丰富我们对作为物理量的熵的理解，而且还应该修改和丰富我们对温度和热的理解，所有这些方式也许与19世纪末将这些经典量扩展到电磁场的方式相似。

　　这就提出了关于不同理论所表述的物理量和物理原理之间的理论间关系的传统哲学问题，特别是关于出现、还原、物理概念的指称稳定性以及它们在不同理论中可能的不可比性的问题。我们不能要求一个更新颖的案例研究来活跃这些传统的辩论。

　　多尔蒂和卡伦德在这里也对正统观念提出了挑战，他们认为，黑洞的面积在很多方面的表现都不像经典熵，这强烈表明我们应该对把它当作经典熵持怀疑态度。库里尔试图反驳他们，正是利用了这样一个观点。

　　一个已知的物理量扩展到一个新的体系中，将不可避免地导致概念本身的修改，以及它可能与其他物理量的关系的修正。因此，我们应该期待黑洞熵的表现与普通熵不同，而正是这些差异可能会产生对古老谜题的物理和哲学洞察力。

　　广义的热力学第二定律在包含黑洞的热力学系统的背景下，如果我们独立地应用普通的热力学定律和黑洞定律，我们可以很容易地构建明显的违反这些定律的行为。

　　如果一个黑洞通过霍金效应发射辐射，那么它将失去质量--显然违反了黑洞力学的经典第二定律。同样，正如贝肯斯坦所说，我们可以违反普通的热力学第二定律，只需将具有高熵的物质扔进黑洞。

　　因为那时黑洞的外面，一个因果隔离的系统，自发地减少熵。将物质扔进黑洞的代价是，它的事件视界将增大。允许视件视界通过释放霍金辐射而缩小的代价是，外部物质场的熵会增加。

　　这表明，我们应该制定两个定律的组合，规定黑洞的面积和外部系统的熵之和永远不能减少。这就是广义的热力学第二定律。

　　普通热力学第二定律在二十世纪关于物理学哲学基础的辩论中有着悠久的、杰出的和有争议的历史，特别是延伸到物理学哲学的几乎每一个重要课题，以及一般科学哲学的许多重要课题中。

　　包括热力学和统计力学之间的关系；量子力学的测量问题，以及量子信息和计算理论的地位和意义；各种时间箭头的定义以及它们之间的关系；宇宙学中所谓的过去假设；决定论；因果关系；预测与追溯；基于理想化和近似的推理的性质；出现和还原；以及理论确认的问题。

　　黑洞和其他纯粹的引力和几何系统拥有一个熵，这自然导致了热力学第二定律应该被修改以适应这一事实的想法。

　　这个广义第二定律本身如何要求修改关于第二定律的传统问题，并可能导致对它们的新见解，这几乎是一个完全没有探索的问题。广义第二定律的假设和它被物理学界广泛接受，提出了许多有趣的困惑和问题。

　　从根本上说，是一个基于对普通物质系统行为的观察的经验性概括，尽管这个概括得到了确认，因而比所有物理学中的任何其他单一原理都更加深刻地巩固。

　　相比之下，广义第二定律最显著的特点之一是，它似乎允许以比普通第二定律更严格的数学方式进行证明。

　　表面上看起来是 "相同 "的基本原理在不同物理理论中的表述、评价和解释之间的关系。

　　至少从物理和哲学的角度来看，广义第二定律事实上承认有多种不同的证明方式。其中一些方式在数学上比其他方式更严格，一些在物理上更清晰和直观，一些更普遍，而且几乎所有的方式都在不同的制度下具有各自的有效性，使用不同类型的物理系统，不同的近似和理想化，以及不同的物理和数学出发点。

　　在黑洞的经典、流体力学、半经典和全量子引力制度下，已经给出了 "证明"。

　　尽管所有这些证明的结果都被称为同一个名字，广义第二定律，但它们表面上似乎是不同的物理原理，只是因为它们各自证明的假设和内容的极端差异。这里只是许多问题和议题中的一个例子，为了制定广义第二定律的版本并试图证明它，人们必须采取立场。

　　黑洞除了事件视界外，还有不同的物理意义上的视界人们应该把熵归于哪一个视界。对于统计证明，应该使用吉布斯熵还是玻尔兹曼熵？

　　我们应该使用黑洞熵的什么物理基础，量子纠缠熵、时空的量子 "原子 "等。我们应该假设一个熵约束吗？

　　如果我们用来模拟所选视界的面积的近似值或表示法允许量子波动，那么我们是否应该使用平均面积，或用其他方式对其进行按摩，使其具有类似于定义良好的经典面积的东西？

　　所提供的各种证明令人眼花缭乱，可以根据每个证明如何回答这些，以及其他相关的问题而大致分类，从而引发了一个问题，每个证明实际得出的所有不同原理之间有什么关系？

　　它们是否代表了同一物理原理，因为它在不同的制度中表现出来，并从不同的角度来看待它？

　　人们对这个问题的回答将敏感地取决于，除其他外，人们对理论间关系的看法。事实上，由于对这些问题的不同回答会导致分别具有相互矛盾的假设的 "证明"，人们很可能担心，如果推导出的原则在所有情况下都是一样的，那么它将变成一个同义反复。

　　即使撇开相互矛盾的问题不谈，人们也会担心，推导出的原则将变成一个同义反复。

　　即使撇开不同推导中使用的矛盾假设不谈，人们也应该注意到，人们不能试图通过使用基于类似共轭的论证来证明证明的多样性，因为它不会是任何类似标准形式的共轭。

　　这不是一种情况，即根据对不同类型的物理系统之间的不同类型的相互作用的研究，为一个特定的现象推导出相同的方程或关系或模型，或量值，就像佩林对阿伏伽德罗数的计算这一经典案例那样。

　　这倒是一个对同一类物理系统和它们之间的相互作用作出不同的物理假设，并在非常不同的物理和数学框架内进行计算和论证的情况，它们之间没有明确的关系。

　　可能的违反情况，当贝肯斯坦首次提出黑洞应该拥有熵，并且它应该与它的面积成正比时，似乎无法克服的困难立即出现。

　　在1970年在普林斯顿举行的一次座谈会上，杰罗赫提出了一个机制，似乎表明，如果人们可以赋予黑洞一个温度，它应该是绝对零度。

　　该机制工作的一个直接后果表明，不这样做似乎会允许任意大的违反后来被称为广义第二定律的东西。在远离黑洞的地方，准备一个基本无质量的盒子，使其充满高熵的能量辐射；然后辐射的质量将被黑洞的引力所吸引。

　　人们可以利用这个重量来驱动发动机产生能量，通过提高配重来产生摩擦力，同时将盒子慢慢向黑洞的事件视界降低。

　　这个过程从盒子里的辐射中提取能量，但不是熵。然后，人们可以安排在盒子到达事件视界时，所有辐射的质能都已耗尽。如果再打开盒子，让辐射落入黑洞，事件穹界的大小不会增加（因为黑洞的质能不会增加），但黑洞外的热力学熵已经减少。

　　因此，我们似乎已经违反了广义第二定律。文献中提出了许多试图化解这一问题的方法，从熵的界限到将有效浮力归于被降低的物体，因为它浸泡在由其加速产生的辐射中，这是所谓安鲁效应的结果。他们中没有一个是完全令人满意的。

　　我们是否应该对这种可能违反广义第二定律的行为感到不安，这个问题触及到物理学基础的几个问题。普通第二定律的地位本身就是一个棘手的哲学难题，与黑洞的问题完全不同。

　　许多物理学家和哲学家否认普通第二定律普遍成立，因此人们可能会质疑我们是否应该在黑洞的存在下坚持其有效性。

　　第二定律显然抓住了我们世界的一些重要特征，而黑洞和热力学之间的类比似乎太丰富了，不能不顾一切地扔掉。

　　广义第二定律是唯一已知的将广义相对论、量子力学和热力学等领域结合起来的物理定律。因此，它目前似乎是我们了解物理世界最基本结构的最有希望的窗口。

　　熵的界限和全息原理，为了回应盖洛赫提出的过程对广义第二定律的明显违反，贝肯斯坦提出了一个限制，即在一个给定的时空区域内可以包含多少熵，以试图避免这种看似违反的情况，这个限制是由黑洞的熵给出的，黑洞的地平线将包括该区域。

　　目前的物理学没有规定这样的限制，所以贝肯斯坦推测，这个限制将由量子引力的基础理论强制执行，希望黑洞热力学提供我们目前最好的洞察力。他认为，如果黑洞的质量足够大，它可以吞噬周围的一切，包括光线和电磁波。

（编辑：东莞站长网）

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