科学家开发了一种新框架，终于能够将热力学定律应用于真实的、不断变化的黑洞，而不仅仅是完全稳定的黑洞。这一进展可能增进我们对黑洞并合、蒸发以及LIGO等天文台探测到的强烈引力波事件的理解。
黑洞是已知宇宙中最极端的天体之一。它们将巨大的质量挤压进一个极小的区域，产生极强的引力，连光都无法逃逸。为了理解这些宇宙天体，物理学家依赖于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，描述诸如在炉子上烧水等常见过程的热力学定律与黑洞的行为之间存在着惊人的联系。
“霍金的黑洞力学定律在极端物理和普通物理之间提供了令人满意的联系，并且成为50年来的范式，但它们存在一个严重的局限性，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利理学院阿瑟顿大学教授及物理学埃文·普格荣誉教授、该研究团队负责人阿贝·阿什特卡（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，并将这些定律扩展到非平衡态的黑洞。”
阿什特卡和他的同事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，它永远不会减少。他们的研究结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被选为“编辑推荐”，介绍了一种与黑洞自旋和能量联系更紧密的熵的度量方法。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。
为何霍金的框架需要更新
“黑洞力学定律直接源于爱因斯坦方程，”宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、该论文作者之一丹尼尔·E·帕莱索（Daniel E. Paraizo）说。“因为无法看到黑洞内部，似乎有无限多种方式可以形成黑洞，这使得它们的熵也变成无限大。人们还认为它们只吸收能量而不辐射能量，因此它们的温度为零。”
起初，这些观点使得黑洞似乎与人们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。霍金后来利用量子力学证明了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看法，使其从方程描述的某种数学概念转变为更具物理现实意义的存在，”帕莱索说。“这为寻找黑洞中与热力学所用的熵和温度的类比打开了大门。”
霍金提出，黑洞事件视界（即连光都无法逃逸的边界）的大小与其熵成正比。他还表明，黑洞的温度取决于其质量和自旋的组合。
针对动态黑洞的更佳度量
据研究人员介绍，问题在于霍金的方法仅在黑洞处于平衡态时有效。
“然而，存在一个问题，”宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、该论文作者之一乔纳森·舒（Jonathan Shu）说。“这些类比实际上只适用于处于平衡态的黑洞。在动态情况下，事件视界可以在我们所谓的时空平坦区域（即没有任何事情发生的区域）中形成并增长。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发生也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、蒸发或合并的黑洞，我们需要一个可行的替代方案。”
该团队的解决方案是用物理学家所说的“动力学视界”取代传统的事件视界，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，从而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，从而克服了使用半个多世纪的范式的局限性，”阿什特卡说。“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，例如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阿瑟顿教授项目和宾夕法尼亚州立大学埃伯利理学院的支持。