科學家們提出了一種描述黑洞的新方法，這項方法有望克服史蒂芬霍金最具影響力的理論之一所面臨的重大限制。這項研究引入了一種更新的黑洞熱力學方法，即使在黑洞隨時間變化的情況下也能運作，可能為理解黑洞如何形成、合併和緩慢蒸發提供新的見解。
黑洞是已知宇宙中最極端的物體之一。它們將巨大的質量壓縮到一個極小的區域，產生如此強烈的引力，連光都無法逃脫。為了理解這些宇宙天體，物理學家們依賴愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。
在 1970 年代初期，史蒂芬霍金和其他研究人員發現了熱力學定律（描述加熱爐子上水的熟悉過程）與黑洞行為之間令人驚訝的聯繫。
「霍金的黑洞力學定律提供了一個極端物理學與普通物理學之間令人滿意的聯繫，並且在過去 50 年裡一直是典範，但它們存在一個嚴重的限制，」賓州州立大學 Eberly 理學院的 Atherton 大學教授兼物理學榮譽 Evan Pugh 教授，也是研究團隊的領導者 Abhay Ashtekar 說。「它們是為處於平衡狀態、或隨時間不變的黑洞制定的，但黑洞卻在不斷變化，它們形成、合併並最終蒸發。我們希望找到一種方法來克服這個限制，並將這些定律擴展到處於非平衡狀態的黑洞。」
Ashtekar 和他的同事們現在提出了一種確定黑洞熵的新方法，熵是衡量無序的量，根據熱力學第二定律，它永遠不會減少。他們的研究結果發表在《物理評論快報》上，並被選為編輯推薦，引入了一種與黑洞的自旋和能量更緊密相關的熵度量。研究人員表示，這可以增強科學家對動態事件（如黑洞合併和蒸發）的理解。
為什麼霍金的框架需要更新
「黑洞力學定律直接來自愛因斯坦的方程式，」賓州州立大學物理學研究生、該論文的作者之一 Daniel E. Paraizo 說。「因為你無法看到黑洞內部，所以似乎有無數種方法可以製造黑洞，使其熵也無限大。它們也被認為只吸收能量，從不輻射，因此溫度為零。」
起初，這些想法讓黑洞看起來與熟悉的熱力學定律不兼容，因為它們似乎具有無限的熵和零溫度。霍金後來利用量子力學證明黑洞可以發射粒子和能量，從而改變了這種看法。
「這改變了人們對黑洞熱力學性質的看法，從一種由方程式描述的數學概念，轉變為更接近物理現實，」Paraizo 說。「這為在黑洞中尋找熱力學中熵和溫度的類比打開了大門。」
霍金提出，黑洞的事件視界（光也無法逃脫的邊界）的大小與其熵成正比。他還表明，黑洞的溫度取決於其質量和自旋的組合。
動態黑洞的更好度量
研究人員表示，問題在於霍金的方法僅適用於處於平衡狀態的黑洞。
「不過，有一個問題，」賓州州立大學物理學研究生、該論文的作者之一 Jonathan Shu 說。「這些類比真的只適用於處於平衡狀態的黑洞。在動態情況下，事件視界可以在我們稱之為時空的平坦區域形成和增長，那裡什麼都沒有發生。這使得它們具有目的論的性質——它們的性質無法僅由黑洞的局部物理學決定，而是依賴於對可能發生也可能不發生的未來事件的預測。因此，事件視界的面積不能作為動態黑洞物理熵的度量。如果我們想理解正在增長、蒸發和合併的黑洞，我們需要一個可行的替代方案。」
該團隊的解決方案用物理學家稱為「動力視界」的概念取代了傳統的事件視界，這個概念已經廣泛用於黑洞的計算機模擬中。與事件視界不同，動力視界是由黑洞在特定時間點的屬性定義的，避免了依賴未來事件所造成的複雜性。
「這使我們能夠將熱力學的第一和第二定律擴展到非平衡狀態的黑洞，從而克服了半個多世紀以來所使用的範式的限制，」Ashtekar 說。「我們可以應用這些廣義定律來更好地理解量子理論中的蒸發黑洞以及黑洞合併，例如 LIGO-Virgo-KAGRA 合作組織使用引力波探測到的那些。」
這項研究得到了賓州州立大學 Atherton 教授計劃和賓州州立大學 Eberly 理學院的支持。