这篇文章是由中国科学院主办的2019年作文大赛的五篇获奖文章之一黑洞主动在哈佛大学。BHI负责人阿维•勒布表示:“黑洞倡议为更有创造性、更全面地思考黑洞问题提供了一个独特的环境。”4月10日，天文学家首次观测到一个黑洞鹦鹉螺收录了五篇获奖文章
B.由于首次提出了他们的存在，缺乏漏洞是迷住了我们想象力的物体。黑洞最引人注目的特征是其事件范围 - 从中没有任何东西可以逃脱的边界。物体可以从外面到里面的事件范围，但是一旦他们这样做，他们就永远不会逆影，也不会有关于他们的任何信息;任何穿过黑洞的事件地平线的东西都是完全从外部宇宙切断的。
多年来，黑洞的存在似乎威胁到了现代物理学的一个基本原则，即热力学第二定律。这个定律帮助我们区分过去和未来，从而定义了“时间之箭”。要理解为什么黑洞会造成这种威胁，我们需要讨论时间反转和熵。
熵和时间之箭
根据我们的观察，物理定律(大部分)在时间反转下是不变的。这意味着什么?想象一个朋友向你展示了以下视频:一个钟摆从左到右在屏幕上摆动。这个视频是正常播放还是反向播放?你们肯定见过钟摆向另一个方向摆动。如果物理定律在时间反转时没有改变，那么实际上就没有办法判断了:无论时间是向前还是向后，物理定律看起来都是一样的。
然而，这似乎没有我们的日常经历。考虑另一个视频，其中一群陶瓷碎片在地板上飞行并在桌子上休息之前将自己组装成咖啡杯。这个视频是向前还是向后播放？大多数人合理地猜测视频正在反向播放。如果物理法在逆转时真正不变，那么为什么这种直觉对我们来说很明显？原因是，虽然物理法则从技术上讲就像视频中显示的那样，让这个奇怪的过程发生吧，事实上，破碎的杯子是由很多很多粒子组成的，这意味着它本质上不可能自发地重新组合。
这个概念是由热力学第二定律形式化的，它告诉我们一个特定的量，熵S.，不能随时间而减少(但可以增加)。换句话说，熵的变化不能是负的:
∆S.≥0。
熵S.是一个统计定义的概念，用来衡量当我们只知道关于系统的“宏观”(大规模)信息时，我们对系统底层状态的知识的缺乏。这里的“状态”指的是组成整个系统的每个粒子的精确位形。例如，考虑一个装满气体的盒子。虽然我们很容易测量气体的温度和压力，但要知道盒子里每个气体粒子的位置和速度实际上是不可能的。事实上，有很多粒子位置和速度的构型，也就是状态，会产生相同的温度和压强。熵编码了我们对系统实际处于的具体状态的无知。
与相同温度和压力一致的状态越大，熵越大。
事实上，熵不能随时间而减少，但是可以在时间反转下的不变性加上一个称为因果关系的附加属性。总之，它们告诉我们，系统的任何单一状态都对应于过去或未来任何时刻的一个状态——不多也不少。例如，一个国家不能在将来变成两个国家，两个国家不能变成一个国家。
现在考虑一下，当我们把一箱气体打开进入一个大房间时会发生什么。如果气体从盒子里开始，然后流出来填满房间，如图1a所示，那么我们就可以很容易地满足这样的规则，即盒子里的每个初始状态都会演变成房间里唯一的最终状态。如果我们在这个过程中密切关注房间里的每一个粒子，熵就不会增加因为每个初始状态都演变成一个单一的最终状态，但我们不能跟踪这么多变量;我们所能做的就是在打开盒子后测量温度和压力，我们会发现整个房间里有很多，很多气体的可能状态都与新的温度和压力相一致。在这个过程中，我们失去了粒子的确切配置信息，因此熵增加了。如果气体从房间中开始，然后流入盒子，如图1b所示，那么房间中的大多数初始状态都无处可去——盒子中没有足够的状态。因此，熵不能减少!
热力学第二定律现在给了我们一些“时间之箭”的感觉。尽管物理定律是时间可逆的，但熵的统计概念允许我们定义时间的前进方向:时间沿着熵增加的方向前进!这就是为什么我们会觉得一个自动组装咖啡杯的视频一定是倒放的。
黑洞与熵
这和黑洞有什么关系呢?经典黑洞——存在于没有量子物理的世界里的那种——没有熵。物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)曾经说过，这些经典黑洞“没有头发”，这是一个可爱的短语，意思是经典黑洞只有几个可测量的属性:质量(它有多大)、角动量(它旋转的速度)和电荷(比如积累的静电)。当一个物体落入黑洞，它对这三个量有贡献，但除此之外，关于它的任何信息都永远消失了。
这对第二种热力学定律来说是一个很大的问题！如果黑洞真正没有熵，那么任何时候物体落入黑洞时，它的熵会有效地删除，减少了宇宙的熵并违反了第二热力学定律。如果没有第二种热力学定律，我们为什么不应该在我们的日常生活中重新组装咖啡杯，为什么不应该在我们的日常生活中重新组装？
解决这个问题的方法是将量子物理学加入其中。1974年，已故的史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)证明，除了上述三种性质之外，黑洞还有一个温度，即现在所说的霍金温度。温度的热力学定义将能量的变化与熵的变化联系起来，所以这一发现让霍金得以证明黑洞的存在做有熵，符合热力学第二定律。事实上，由于黑洞的能量随着视界表面积的增加而增加，结果证明黑洞的熵与它的表面积成正比，这是贝肯斯坦最初推测的事实。
霍金发现了霍金温度的精确值，这让他得以计算出比例常数，从而得出了现在被称为贝肯斯坦-霍金(Bekenstein-Hawking，与“黑洞”的字母相同)的公式:
在哪里S.BH.是黑洞的熵，一种它的表面积是多少K.B.和P.分别被称为玻尔兹曼常数和普朗克长度。这个公式后来被物理学家Andy Strominger和Cumrun Vafa等人的计算在一个特定的黑洞理论中验证。
关键是黑洞做有熵，正如我们希望的那样，我们可以通过查看他们有多大来讲述他们所拥有的。一旦我们知道黑洞有熵，我们就有一种新形式的热力学定律，不仅包括黑洞外的宇宙，而且还包括活动地平线内的宇宙：总熵，S.总计=S.外+S.BH.，绝不会减少。每当有东西被扔进黑洞，熵S.外在黑洞外的宇宙减少，但是令人惊讶的是黑洞的表面积，因此S.BH.，增加足以确保S.总计没有变小。因此，保存了第二热力学和时间箭头的第二定律！
安德鲁·特纳(Andrew Turner)是麻省理工学院理论物理中心的一名研究生，从事弦理论和超重力方面的研究。他来自密苏里州的阿什兰，毕业于哈维穆德学院。
亚历克斯特灵是麻省理工学院物理系的研究生，在等离子科学和融合中心进行融合能源研究。他最初来自爱荷华州麦迪逊堡。
这篇文章放在黑洞研究所的论文比赛中。
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本文最初发表于2019年1月的“上下文”问题。
