黑洞是已知宇宙中最极端的天体之一。它们将巨大的质量压缩到极小的区域内，产生极其强烈的引力，连光都无法逃脱。为了理解这些宇宙天体，物理学家依赖爱因斯坦的广义相对论和量子力学。
20世纪70年代初，斯蒂芬·霍金和其他研究人员发现了热力学定律与黑洞行为之间令人惊讶的联系，热力学定律描述的是诸如在炉子上烧水等常见过程。
"霍金的黑洞力学定律为极端物理和普通物理之间提供了令人满意的联系，并成为50年来的范式，但它们有一个严重的局限性，"宾夕法尼亚州立大学Eberly科学学院Atherton大学教授和物理学Evan Pugh荣誉教授、研究团队负责人Abhay Ashtekar说。"这些定律是为处于平衡态或不随时间变化的黑洞制定的，但黑洞在不断变化，它们形成、合并并最终蒸发。我们希望找到一种方法来克服这一局限性，并将这些定律扩展到非平衡态的黑洞。"
Ashtekar和他的同事们现在提出了一种确定黑洞熵的新方法，熵是衡量无序程度的物理量，根据热力学第二定律，熵永远不会减少。他们的发现发表在《物理评论快报》上，并被选为编辑推荐，引入了一种与黑洞自旋和能量更密切相关的熵的度量。研究人员表示，这可以提高科学家对黑洞合并和蒸发等动态事件的理解。
为什么霍金框架需要更新
"黑洞力学定律直接来自爱因斯坦方程，"宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、论文作者Daniel E. Paraizo说。"因为你无法看到黑洞内部，似乎有无限多种方式可以形成黑洞，这使得它们的熵也是无限的。人们还认为它们只吸收能量而不辐射，所以它们的温度为零。"
起初，这些观点使黑洞看起来与熟悉的热力学定律不相容，因为它们似乎具有无限大的熵且没有温度。霍金后来通过使用量子力学证明黑洞可以发射粒子和能量，从而改变了这一图景。
"这改变了人们对黑洞热力学性质的思考，从一种由方程描述的数学概念，变成了一种更具物理实在性的事物，"Paraizo说。"这为在黑洞中找到热力学中使用的熵和温度的类比打开了大门。"
霍金提出，黑洞事件视界的大小——即连光都无法逃脱的边界——与其熵成正比。他还表明，黑洞的温度取决于其质量和自旋的组合。
动态黑洞的更好度量
据研究人员称，问题在于霍金的方法只有在黑洞处于平衡态时才有效。
"然而，存在一个问题，"宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、论文作者Jonathan Shu说。"这些类比实际上只对处于平衡态的黑洞有效。在动态情况下，事件视界可以在我们所谓的时空平坦区域（那里没有任何事情发生）中形成和增长。这使得它们具有目的论性质——它们的性质不能仅由黑洞的局域物理决定，而是依赖于对未来可能或可能不发生的事件的预测。因此，事件视界的面积不能作为动态黑洞物理熵的度量。如果我们想要理解正在增长、蒸发和合并的黑洞，我们需要一个可行的替代方案。"
该团队的解决方案用物理学家所说的"动力学视界"取代了传统的事件视界，这一概念已在黑洞的计算机模拟中被广泛使用。与事件视界不同，动力学视界由黑洞在特定时刻的性质定义，避免了依赖未来事件所带来的复杂性。
"这使我们能够将热力学第一和第二定律扩展到非平衡态的黑洞，从而克服了半个多世纪以来所用范式的局限性，"Ashtekar说。"我们可以应用这些推广的定律来更好地理解量子理论中的蒸发黑洞以及黑洞合并，比如LIGO-Virgo-KAGRA合作组织利用引力波探测到的那些。"
该研究得到了宾夕法尼亚州立大学Atherton教授计划和宾夕法尼亚州立大学Eberly科学学院的支持。