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熵思维给了我们黑洞物理学和量子粒子之间的联系

编辑:逍遥八字网 日期:2022-07-22 14:00:03 浏览:0
导读斯蒂芬有许多关于黑洞的想法。但他最大的洞见,也就是将引力与量子力学联系起来的工作,来自于对熵的思考——一个非常基本的概念,它不仅对...

斯蒂芬有许多关于黑洞的想法。但他最大的洞见,也就是将引力与量子力学联系起来的工作,来自于对熵的思考——一个非常基本的概念,它不仅对日常生活的物理学,而且对时间本身的意义都至关重要。

最简单地说,熵是一种量化系统中无序程度的方法。在大多数情况下,这是非常直观的。炒鸡蛋的熵高于整体熵。一堆砖头和木板比每块砖头和木板都放在适当位置的房子有更多的熵。

一个系统(或宇宙)的总熵必须随时间增加的原理被称为热力学第二定律——如果你曾经试图保持你的桌子干净,那么它可能是最相关的。物理学的基本原理。

当然,法律不是说不能把一堆砖头和木板变成房子。即使你花了足够的时间和精力,也不可能解开一个鸡蛋。只是意味着在一个地方减少熵需要在其他地方创造更多的熵。

以房屋建筑为例,你把最终消耗的能源钉在钉子上,堆砌砖块。某种意义上,有些能量会表现为热量,会散发到环境中,让你周围的空气变得“混乱”。更高的温度意味着更高的熵(因为当它更热时,粒子以随机的方式移动更多)。

你的工作必然会以某种方式产生足够的熵来弥补砖块的有序排列。

那么,这和黑洞有什么关系呢?

20世纪70年代,霍金和其他物理学家在玩两个看似不相关的概念:宇宙中熵的必然增加;事实上,没有任何东西能逃脱黑洞。

他们开始问问题。如果把高熵的东西扔进黑洞会怎么样?熵在哪里?你是不是因为减少了宇宙中的熵而违反了第二定律?他们可能得出的唯一合乎逻辑的结论是,黑洞本身一定有熵。

热力学规则说,要有一定的熵,黑洞也必须有温度——它必须产生一些外人可以感知的热量。这意味着必须有某种方法(在这种情况下,是高能粒子或辐射)离开黑洞。

要详细了解霍金是如何做出这一切工作的,需要深入研究一些广义相对论和量子力学,但简而言之,考虑熵让我们看到了黑洞物理和量子粒子物理之间的联系。这完全改变了我们对两者的看法。

当最终计算完成后,发现黑洞应该会辐射出热量,这种热量被称为霍金辐射,它看起来和扔进火中的热拨火棒发出的光芒几乎一样。这一预测创造了一个新的悖论,物理学家仍在试图解决。

但是熵远不止于此。许多物理学家认为,不断增加的熵是时间本身向前移动的原因。大多数物理学可以向后或向前工作,但熵只会以一种方式增加,这可能是为什么我们可以记住过去而不是预见未来。时间的箭头取决于熵的上升方向。

在物理学的伟大传统中,每一个新的想法都会导致新的问题。将时间之箭与熵的增加联系起来,引出了一个棘手的问题,那就是宇宙是如何在熵低到可以一直增加的状态下开始的。

虽然我们还没有回答这个问题,但我们希望它可以指出,我们对宇宙是如何开始的有了更好的理解,当熵达到最终状态时,命运可能就来了。

与此同时,我们每个人都将继续在我们自己的宇宙口袋里充当混沌特工。我们都可以从知道你不能把它们扔进黑洞来解决你的问题中学习;你只会比开始的时候更糟糕。

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