黑洞如何消耗熵

亦木近北栽

艺术家对轨道黑洞的看法。鸣谢:加州理工学院/R .赫特(IPAC)

（）据今日宇宙（保罗·m·萨特）：熵是构成整个物理学领域(在这种情况下，是热力学)核心的令人恐惧的深刻概念之一，不幸的是，它是如此数学化，以至于很难用简单的语言来解释。但是我们会试一试。每当我看到熵这个词，我都喜欢用“计算我可以重新安排一个场景的方式的数量，同时保持它基本不变”来代替它。我同意这有点拗口，所以熵必须要做。

你在周末早上起床，决定最终完成打扫卧室的艰巨任务。你拿起、清洗、叠好、放好你的衣服。你整理你的床单。你弄松你的枕头。你整理你的内衣抽屉。几个小时的努力后，你停下来欣赏自己的作品，但你已经能感觉到胃里不安的缠绕感。过不了多久，你就知道又要乱了。

你本能地知道这一点，因为只有一种独特的方式来拥有一个完全有序的房间，每样东西都有一个位置，每样东西都在它的位置上。只有一种方法可以得到这个精确的场景。既然你现在对这个词很熟悉，你可以随意使用它:你可能会说一个非常干净的房间熵值非常低。

我们来介绍一些无序。你拿了一只不成对的袜子，把它扔在你的房间里。现在很乱。你可以对这种混乱程度进行量化。你孤独的袜子可以放在地板上。它可以在床上。它可以从抽屉里伸出一半。有很多方法可以重新安排这个场景——在你的房间里出现一只不整洁的袜子——同时保持整体画面不变。熵更高。

然后你的狗，或者你的孩子，或者你的狗和孩子冲进房间。混乱随之而来。没有东西在它应该在的地方，有几乎有限的方法来达到同样的混乱程度。熵——以及挫败感——确实非常高。

物理学家喜欢使用熵，因为它也是一种便捷的系统信息编码方式。因此，通过测量熵——一个物理学家非常擅长处理的量——他们也可以掌握系统中的信息量。

这适用于宇宙中的任何系统，比如黑洞。

从1981年开始，物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)发现了关于黑洞及其视界的两个显著的、不直观的事实，他的工作差点让我们提到贝肯斯坦辐射。第一，黑洞包含的体积代表了宇宙中任何类似大小的体积所能拥有的绝对最大熵。

换句话说，黑洞是最大熵的球体。让它深入人心。无论你的房间变得多么凌乱，无论你有意或无意地增加它的熵，你永远也不可能打败一个房间大小的黑洞的熵。这一事实应该会立即引发一些令人不安但耐人寻味的问题。在宇宙中所有奇妙的创造物中，为什么大自然选择了包含最大熵的黑洞？这仅仅是一个巧合吗，或者这是在告诉我们一些关于量子力学、引力和信息之间联系的有价值的东西吗？

当你了解到贝肯斯坦发现的关于黑洞的第二个事实时，那种不安和兴奋交织在一起的感觉应该会出现。当你向黑洞添加信息时，它会变得更大。这本身并不令人惊讶，但黑洞——只有黑洞——以这样的方式增长，即它们的表面积，而不是体积，与进入它们的新信息量成比例增长。

如果你拿宇宙中的任何其他系统——一颗恒星消耗一颗行星，你消耗一个奶酪汉堡——组合系统的熵和信息都会增加。音量也是(对明星和你都是)。信息量的增加与音量成正比。但是黑洞，由于某种我们还不了解的原因，公然违背了这种常识性的直观图像。