新黑洞理论成功破解长期存在的科学难题
一个因能量流入而不断增长的黑洞的示意图。宾夕法尼亚州立大学的研究提出了一种黑洞熵的新测量方法，该方法将斯蒂芬霍金的黑洞力学定律扩展到这类非平衡、动态的黑洞——它们会形成、合并和蒸发。图片来源：宾夕法尼亚州立大学的乔纳森舒和丹尼尔帕莱佐
科学家们或许已经为永不停止变化的黑洞找到了一套更符合现实的热力学规则。
黑洞是宇宙中已知的最极端的天体之一。它们将极大的质量压缩到极小的区域，产生极强的引力场，以至于一旦越过边界，任何东西——甚至光——都无法逃脱。
物理学家利用源自爱因斯坦广义相对论的方程以及量子力学的观点来描述黑洞。不过，此前斯蒂芬霍金和其他研究者就已发现，黑洞似乎遵循与热力学定律相似的规则——热力学是物理学的一个分支，用于解释热量、能量和无序状态在普通系统（如炉子上沸腾的水）中的表现。
霍金框架中的一个主要局限性
阿贝阿什特卡是宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院的阿瑟顿大学教授、埃文普格物理学荣誉退休教授，同时也是该研究团队的负责人，他表示：霍金的黑洞力学定律在极端物理与普通物理之间建立了令人满意的联系，50年来一直是范式，但它们存在一个严重的局限性。这些定律是为处于平衡状态——即随时间保持不变——的黑洞制定的，然而黑洞始终在变化；它们会形成、合并，最终蒸发。我们希望找到一种方法来克服这一局限性，将这些定律扩展到非平衡状态的黑洞。
真实的黑洞很少是静止的。它们会积聚物质、与其他黑洞碰撞，并通过量子过程逐渐失去能量。然而，传统的黑洞力学定律主要是为处于平衡状态的黑洞设计的，即它们的性质不会随时间变化。
由阿什特卡领导并发表在《物理评论快报》上的一项新研究（该研究被列为编辑推荐）提出了另一种计算黑洞熵的方法。熵通常被描述为无序程度的度量，根据热力学第二定律，它不会减少。
新定义将熵更直接地与黑洞的能量和自旋联系起来。研究人员表示，这种方法可以为研究黑洞在演化、蒸发或与其他黑洞合并时的情况提供一种更贴合实际的方式。
黑洞如何进入热力学领域
黑洞力学定律直接源自爱因斯坦方程，宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、该论文作者之一丹尼尔E帕拉伊佐说。因为无法看到黑洞内部，所以似乎存在无数种形成黑洞的方式，这也使得它们的熵是无限的。人们还曾认为黑洞只吸收能量而从不辐射，因此它们的温度为零。
那些早期的假设使得黑洞看起来与热力学不相容。如果它们的熵是无限的而温度为零，就很难将它们当作普通的物理系统来对待。
当霍金运用量子力学证明黑洞可以发射粒子和能量时，这种观点发生了改变。这种现在被称为霍金辐射的现象表明，黑洞可以具有温度并逐渐失去质量。
帕拉伊佐说：这改变了人们对黑洞热力学性质的看法——从一种由方程描述的数学概念，转变为更具物理现实性的存在。这为在黑洞中找到热力学中熵和温度的类比打开了大门。
霍金提出黑洞的熵与它的事件视界面积成正比。事件视界是其周围的边界，越过这个边界后，引力会阻止包括光在内的一切物质逃逸。他还认为黑洞的温度与它的质量和自旋的某种组合成反比。
事件视界为何造成问题
虽然这个框架对于稳定的黑洞很有效，但当黑洞发生变化时，应用起来就会变得更加困难。
不过有个问题，宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、该论文的作者之一乔纳森舒说。这些类比只对处于平衡状态的黑洞真正有效。在动态情况下，事件视界会在我们所说的时空平坦区域形成并扩大，这些区域原本没有任何活动。这使得它们具有目的论性质——它们的特性不能仅通过黑洞的局部物理来确定，而是依赖于对未来可能发生或不发生的事件的预测。因此，事件视界的面积不能作为动态黑洞物理熵的衡量标准。如果我们想理解正在生长、蒸发和合并的黑洞，就需要一个可行的替代方案。
换句话说，事件视界并非仅由某一时刻黑洞周围发生的情况决定。它的位置可能取决于之后发生的事件。这种前瞻性特征使得在演化中的黑洞中，难以将事件视界作为熵的直接物理度量。
动态视界提供了一种新的解决方案
研究人员提议用所谓的动力学视界取代事件视界，这种视界已被广泛应用于黑洞的计算机模拟中。
与事件视界不同，动态视界可以利用黑洞在特定时刻的物理性质来定义。因此，它避免了目的论问题，并可能为追踪黑洞变化时的熵提供一种更实用的方法。
阿什特卡说：这使我们能够将热力学第一和第二定律扩展到非平衡状态的黑洞，从而克服了半个多世纪以来一直使用的范式的局限性。我们可以应用这些广义定律来更好地理解量子理论中的蒸发黑洞以及黑洞合并，比如LIGO处女座KAGRA合作项目利用引力波探测到的那些合并事件。
扩展后的框架可以帮助物理学家解释通过引力波观测到的黑洞合并现象，并研究量子理论中黑洞蒸发这一仍未解开的神秘过程。
参考文献10。11033c1rv8f1
这项研究得到了宾夕法尼亚州立大学阿瑟顿教授项目和宾夕法尼亚州立大学Eberly理学院的资助。
相关知识
黑洞是广义相对论预言的特殊天体，由大质量恒星耗尽核燃料后坍缩形成。它的引力极强，连光都无法逃脱其视界范围，因此难以直接观测，但可通过周围物质形成的吸积盘辐射、引力透镜效应等间接探测。2019年，事件视界望远镜首次拍摄到黑洞的清晰图像，进一步验证了这一天体的存在。
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自： https://scitechdaily.com/new-black-hole-theory-solves-a-50-year-old-problem/
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