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黑洞差一點毀了「時間」概念:它曾威脅到了熱力學第二定律


品讀百卷美國物理學家約翰.阿奇博爾德.惠勒(JAW)提出了「黑洞」概念之後,這一奇異的天體就不斷挑戰著科學家們的想像力,其不可思議的一點在於...

- 2019年1月28日08時58分
- 科學文摘 / 品讀百卷

品讀百卷

美國物理學家約翰.阿奇博爾德.惠勒(John Archibald Wheeler)提出了「黑洞」概念之後,這一奇異的天體就不斷挑戰著科學家們的想像力,其不可思議的一點在於「事件視界」(event

horizon)——一旦進入「事件視界」之中,任何物體都無法逃脫,哪怕是光線——物體可以穿過「事件視界」、且進入黑洞的內部,可進入黑洞的內部之後,它們再也無法出去,也不會有任何關於它們的信息。

不過,「黑洞」這一概念的提出,威脅到了現代物理學的一個基本原則,即熱力學第二定律(又稱「熵增定律」,一般表述為「不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他的影響」),這一定律幫助科學家們區分了過去和未來,進而定義一個「時間箭頭」(arrow of time)的概念。


(黑洞)

熱力學第二定律表明,任何孤立系統的特定度量,熵(S)不會隨著時間的推移而降低,也就是說,熵的變化不可能是負值。因此,這一定律給了科學家們一種「時間箭頭」的感覺,允許他們賦予時間一個正向性,即「時間以熵增加的方向流動」,進而「時間」這一概念得以確立。可是,量子物理學尚未開創的時代里,科學家們認為黑洞沒有熵,物理學家雅各布.貝肯斯坦(Jacob

Bekenstein)認為,黑洞只有三個可以測量的特徵,即「質量(它的大小)」、「角動量(旋轉速度的快慢)」和「電荷(比如經典的累積)」。

一旦某個物體穿過「事件視界」、落入黑洞的內部,這個物體會對以上的三個量產生影響,除此之外,關於這個物體的任何信息都會徹徹底底的消失。所以,熱力學第二定律面臨一個大問題,若黑洞真的沒有熵,那麼一個物體落入黑洞中,它的熵會永久的消除,這會減少全宇宙的熵,進而違反了熱力學第二定律,這樣的話,「時間」概念也受到了根本性的動搖。

(黑洞)

1974年,物理學家史蒂芬.霍金(Stephen


Hawking)提出,除了「質量」、「角動量」和「電荷」三個屬性之外,黑洞還有「溫度」這一屬性,即所謂的「霍金溫度」,它將能量變化與熵的變化聯繫起來,使得史蒂芬.霍金推測出了黑洞也有熵,這就避免了違背熱力學第二定律。而且,黑洞的能量會隨著「事件視界」表面積的增大而增加,因此黑洞的熵與「事件視界」的表面積成正比,即黑洞的「事件視界」表面積可以成為黑洞熵的量度。

科學家們的觀測和研究也證實了史蒂芬.霍金的推測,黑洞確實具有熵,他們可以通過觀察黑洞的大小來估計熵的大小,所以,熱力學第二定律和「時間箭頭」都得以確保,時間長河仍朝著一個方向在緩緩流淌。


(黑洞)

小考題:如果時間可以倒流的話,你想回到哪一個歷史時期呢?歡迎你留言討論。

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