黑洞无毛却有熵究竟是什么意思？一文带你了解一下

形腿望舞

“黑洞”的发现

1915年，物理学家爱因斯坦提出著名的“爱因斯坦场”方程。在德军东线战场里服役的天文学家卡尔·史瓦西，在一封信上看见了爱因斯坦的这项轰动的理论发现。

由于算法原因，爱因斯坦场方程在当时只有近似解，这点燃了史瓦西的科研欲望。在炮火连天的前沿阵地，他利用作战间隙潜心研究，他居然给出了这个方程的精确解，解决了这项世界级物理难题。

在“爱因斯坦场“方程中，爱因斯坦沿用的是传统的直角坐标系，所以对一个对称的、不自旋、不带电荷的有质量球体进行计算，只能给出一个近似解。但史瓦西则另辟蹊径，他引入的坐标系类似于极坐标系，从而可以得出精确解。

他将自己的研究成果寄给爱因斯坦，得到了爱因斯坦的夸赞。爱因斯坦场方程的这个精确解，从此被命名为“史瓦西度规”，这也正是爱因斯坦场方程的第一个精确解。

而在此基础之上，史瓦西发出了第二篇论文，其中给出了“史瓦西内解”，以及计算黑洞视界半径的公式，由此，黑洞的视界半径便被称为“史瓦西半径”，并把上述天体周围史瓦西半径处的想象中的球面，叫作视界。

简单来说，史瓦西设定了这样一个天体，它的电荷量为0，也就是它呈电中性，它的角动量为0，也就是不自转，宇宙常数也为0。这本可以用于描述地球和太阳之类自转缓慢的天体，但如果它的质量增大到足够大之后，它的逃逸速度将超过光速。这就意味着没有任何东西能够逃出它的魔掌，所以它本身也无法被看见，这就是“黑洞”。

史瓦西的这篇论文，让大家从此知道了，在茫茫宇宙之中存在着“黑洞”这种特殊的天体，然而那个时候史瓦西并不喜欢这样的计算结果，所以并没有给这种特殊天体起名字。

黑洞无毛理论

1939年，“原子弹之父”奥本海默在史瓦西的基础上，通过对爱因斯坦场方程的推导，得出了这样的结论：”一颗足够重量的死恒星将会崩裂，它制造出极密的堆积，以致光都无法穿越。这颗恒星会一直分裂下去，而宇宙空间则会像个黑斗篷一样将其包裹。在这个堆积中心，空间会无尽地弯曲，物质无穷密集，形成一种既密实又单一的矛盾景象。”

这也就是我们现在说的物质为零的“黑洞中心”。但是那个时候还没有一个准确的词去描述这种现象。

曾研究出“液滴模型”，为后来的原子弹制造打下了基础的著名科学家惠勒却反对奥本海默的说法，他在1958年与奥本海默的论战中，曾信誓旦旦地说：“这个崩溃理论未能很好地解释类似恒星中物质的命运，物质怎么可能竟然发展到无物质呢。毕竟，物理法则怎么可能发展到违背自己以达到“无物理”的地步呢？”

然而，当随着解释这颗崩裂行星的内部和外部的数学公式出现时，他与其他一些学者都被说服了，成了忠实拥护者。

1969年在纽约的一次会议上，他为了说服场下听众，他灵机一动，冒出了“黑洞”这个词，以描述这些恒星可怕而充满戏剧性的命运。“黑洞”一词从此流传开来。

惠勒当时提出了著名的“黑洞无毛定理”。这个定理是对经典黑洞简单性的叙述，它说的是，无论什么样的天体，一旦塌缩成为黑洞，几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆，它就只剩下电荷、质量和角动量三个最基本的性质。质量M产生黑洞的视界；角动量L是旋转黑洞的特征，在其周围空间产生涡旋；电荷Q在黑洞周围发射出电力线，这三个物理守恒量唯一地确定了黑洞的性质。因此，也有人将此定理戏称为“黑洞三毛定理”。（毛发是形象地比喻黑洞就是光溜溜一个天体，没有任何复杂性质）

1973年史蒂芬霍金、卡特尔等人严格证明了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定”。

史蒂芬霍金在1971~1972年研究了黑洞事件视界截面面积的演化，并发现这个面积是不减的。这就是所谓的黑洞面积定理。黑洞无毛定理表明黑洞的形成会导致熵的丢失。

简单而言，史蒂芬霍金认为：黑洞无毛也无熵增。这在当时得到了许多科学家的认同，根据爱因斯坦广义相对论所预言的“经典黑洞”，是无毛的，看起来似乎无熵可言！

但是有一位科学家表示了反对，那就是惠勒的学生贝肯斯坦。贝肯斯坦认为，为了保存热力学第二定律，黑洞一定要有“熵”！

“熵”是什么

随着科学的发展，牛顿经典力学的一些局限性也暴露了出来，比如牛顿经典力学认为力学过程是可逆的，可逆性是指时间反演，即过程按相反的顺序进行。在经典力学的运动方程中，把时间参量 t换成-t，就意味着过程按相反的顺序历经原来的一切状态，最后回到初始状态。

1850 年克劳修斯在论文中提出了一条基本定律：“没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温。”

这个定律被称为热力学第二定律。而热力学第二定律则与力学过程的可逆性相矛盾。

所以克劳修斯在 1854 年的随笔《关于热的力学理论的第二基础定理的一个修正形式》提出了一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量来解释这种现象，来增加热力学第二定律的说服力。

克劳修斯从热机的效率出发，认识到正转变（功转变成热量）可以自发进行，而负转变（热量转变成功）作为正转变的逆过程却不能自发进行。负转变的发生需要同时有一个正转变伴随发生，并且正转变的能量要大于负转变，这实际是意味着自然界中的正转变是无法复原的。

基于此，克劳修斯提出了热力学第二定律的又一个表述方式，也被称为熵增原理，那就是：不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。

简而言之就是孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加，可以说非常鲜明地指出了不可逆过程的进行方向。

熵增原理是热力学第二定律的另外一种表述形式，但却又拥有更加深刻的含义，因为它创造了“熵”这个概念。

熵增原理表明，在绝热条件下，只可能发生dS≥0 的过程，其中dS = 0 表示可逆过程；dS>0表示不可逆过程,dS