连黑洞都逃不过的熵增定律，黑洞无毛为何还有熵？

“黑洞”的发现

1915年，物理学家爱因斯坦提出闻名的“爱因斯坦场”方程。在德军东线疆场里服役的天文学家卡尔·史瓦西，在一封信上看见了爱因斯坦的这项颤动的理论发现。

因为算法原因，爱因斯坦场方程在那时只有近似解，这点燃了史瓦西的科研欲望。在炮火连天的前沿阵地，他操纵作战间隙潜心研究，他居然给出了这个方程的切确解，解决了这项宿世界级物理难题。

在“爱因斯坦场“方程中，爱因斯坦沿用的是传统的直角坐标系，所以对一个对称的、不自旋、不带电荷的有质量球体进行计较，只能给出一个近似解。但史瓦西则另辟门路，他引入的坐标系近似于极坐标系，从而可以得出切确解。

他将本身的研究当作果寄给爱因斯坦，获得了爱因斯坦的夸赞。爱因斯坦场方程的这个切确解，从此被定名为“史瓦西度规”，这也恰是爱因斯坦场方程的第一个切确解。

而在此根本之上，史瓦西发出了第二篇论文，此中给出了“史瓦西内解”，以及计较黑洞视界半径的公式，由此，黑洞的视界半径便被称为“史瓦西半径”，并把上述天体四周史瓦西半径处的想象中的球面，叫作视界。

简单来说，史瓦西设定了这样一个天体，它的电荷量为0，也就是它呈电中性，它的角动量为0，也就是不自转，宇宙常数也为0。这本可以用于描述地球和太阳之类自转迟缓的天体，但若是它的质量增大到足够大之后，它的逃逸速度将跨越光速。这就意味着没有任何工具可以或许逃出它的魔掌，所以它自己也无法被看见，这就是“黑洞”。

史瓦西的这篇论文，让大师从此知道了，在茫茫宇宙之中存在着“黑洞”这种特别的天体，然而那个时辰史瓦西并不喜好这样的计较成果，所以并没有给这种特别天体起名字。

黑洞无毛理论

1939年，“原枪弹之父”奥本海默在史瓦西的根本上，经由过程对爱因斯坦场方程的推导，得出了这样的结论：”一颗足够重量的死恒星将会崩裂，它制造出极密的聚积，乃至光都无法穿越。这颗恒星会一向割裂下去，而宇宙空间则会像个黑大氅一样将其包裹。在这个聚积中间，空间会无尽地弯曲，物质无限密集，形当作一种既密实又单一的矛盾气象。”

这也就是我们此刻说的物质为零的“黑洞中间”。可是那个时辰还没有一个精确的词去描述这种现象。

曾研究出“液滴模子”，为后来的原枪弹制造打下了根本的闻名科学家惠勒却否决奥本海默的说法，他在1958年与奥本海默的论战中，曾信誓旦旦地说：“这个解体理论未能很好地诠释近似恒星中物质的命运，物质怎么可能竟然成长到无物质呢。究竟结果，物理法例怎么可能成长到违反本身以达到“无物理”的境界呢？”

然而，当跟着诠释这颗崩裂行星的内部和外部的数学公式呈现时，他与其他一些学者都被说服了，当作了忠厚拥护者。

1969年在纽约的一次会议上，他为了说服场下听众，他灵机一动，冒出了“黑洞”这个词，以描述这些恒星恐怖而布满戏剧性的命运。“黑洞”一词从此传播开来。

惠勒那时提出了闻名的“黑洞无毛定理”。这个定理是对经典黑洞简单性的论述，它说的是，无论什么样的天体，一旦塌缩当作为黑洞，几乎不连结形当作它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的外形或当作分都没有记忆，它就只剩下电荷、质量和角动量三个最根基的性质。质量M发生黑洞的视界；角动量L是扭转黑洞的特征，在其四周空间发生涡旋；电荷Q在黑洞四周发射出电力线，这三个物理守恒量独一地确定了黑洞的性质。是以，也有人将此定理戏称为“黑洞三毛定理”。（毛发是形象地比方黑洞就是光秃秃一个天体，没有任何复杂性质）

1973年霍金、卡特尔等人严酷证实了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）独一确定”。

霍金在1971~1972年研究了黑洞事务视界截面面积的演化，并发现这个面积是不减的。这就是所谓的黑洞面积定理。黑洞无毛定理表白黑洞的形当作会导致熵的丢掉。

简单而言，霍金认为：黑洞无毛也无熵增。这在那时获得了很多科学家的认同，按照爱因斯坦广义相对论所预言的“经典黑洞”，是无毛的，看起来似乎无熵可言！

可是有一位科学家暗示了否决，那就是惠勒的学生贝肯斯坦。贝肯斯坦认为，为了保留热力学第二定律，黑洞必然要有“熵”！

“熵”是什么

跟着科学的成长，牛顿经典力学的一些局限性也表露了出来，好比牛顿经典力学认为力学过程是可逆的，可逆性是指时候反演，即过程按相反的挨次进行。在经典力学的活动方程中，把时候参量 t换当作-t，就意味着过程按相反的挨次历经本来的一切状况，最后回到初始状况。

1850 年克劳修斯在论文中提出了一条根基定律：“没有某种动力的耗损或其他转变，不成能使热从低温转移到高温。”

这个定律被称为热力学第二定律。而热力学第二定律则与力学过程的可逆性相矛盾。

所以克劳修斯在 1854 年的漫笔《关于热的力学理论的第二根本定理的一个批改形式》提出了一个反映自觉过程不成逆性的物质状况参量来诠释这种现象，来增添热力学第二定律的说服力。

克劳修斯从热机的效率出发，熟悉到正改变（功改变当作热量）可以自觉进行，而负改变（热量改变当作功）作为正改变的逆过程却不克不及自觉进行。负改变的发生需要同时有一个正改变陪伴发生，而且正改变的能量要大于负改变，这现实是意味着天然界中的正改变是无法回复复兴的。

基于此，克劳修斯提出了热力学第二定律的又一个表述体例，也被称为熵增道理，那就是：不成逆热力过程中熵的微增量老是大于零。在天然过程中，一个孤立系统的总紊乱度（即“熵”）不会减小。

简而言之就是孤立系统的熵永不主动削减，熵在可逆过程中不变，在不成逆过程中增添，可以说很是光鲜地指出了不成逆过程的进行偏向。

熵增道理是热力学第二定律的别的一种表述形式，但却又拥有加倍深刻的寄义，因为它缔造了“熵”这个概念。

熵增道理表白，在绝热前提下，只可能发生dS≥0 的过程，此中dS = 0 暗示可逆过程；dS>0暗示不成逆过程,dS<0 过程是不成能发生的。但可逆过程究竟结果是一个抱负过程。是以，在绝热前提下，一切可能发生的现实过程都使系统的熵增大，直达到到均衡态。

黑洞无毛是否有熵之争

贝肯斯坦之所以会认为黑洞无毛却有熵，是因为那时惠勒和贝肯斯坦正在怡然自得地喝下战书茶。惠勒突发奇想，问贝肯斯坦：“若是您倒一杯热茶到黑洞中，会若何？”惠勒的意思是说，热茶既有热量又有熵，但一切物质被黑洞吞下后就消逝不见了，造当作总体的“熵值”似乎不是增添而是削减了，这不是有悖热力学第二定律吗？

教员提出的问题，令贝肯斯坦日夜苦思，也激发了他无比的想象力。最终贝肯斯坦才提出黑洞无毛却有熵的论断。他认为：“当您扔进黑洞一些物质，例如像惠勒问题中所说的一杯茶。之后，黑洞获得了质量，黑洞的面积是和质量当作正比的，质量增添使得面积增添，因而熵也增添了。黑洞熵的增添抵消了被扔进去的茶水的熵的丢掉。”

所以贝肯斯坦才提出黑洞的熵应该正比于黑洞事务视界截面的面积。

霍金认为贝肯斯坦理解错了他的面积不减定理，1973年，霍金与巴丁以及卡特成立了黑洞的力学四定律，来辩驳贝肯斯坦，霍金认为，若是有熵的话，就需要一个温度的概念。有温度就会存在热辐射，而这对于经典黑洞来说是不成能的。因为爱因斯坦广义相对论所预言的“经典黑洞”是无毛的，看起来似乎无熵可言！盖罗奇甚至在1971年设计了一个模子来辩驳贝肯斯坦的说法。

贝肯斯坦陷入了一个很是尴尬的境地，然而惠勒却很撑持他的观点，1973年霍金拜候莫斯科，与前苏联物理学家泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基会商了超辐射的问题。霍金认为泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基关于超辐射的会商在物理上是靠得住的，但不太喜好他们计较超辐射的体例。所以在他们的根本上提出了霍金辐射与霍金温度。然而这两项理论的提出却证实了贝肯斯坦的论断是准确的！