科学家们提出了一种描述黑洞的新方法，可能会克服史蒂芬·霍金最具影响力的想法之一中的一个主要局限性。这项研究引入了一种更新的黑洞热力学方法，即使在黑洞随时间变化时也能工作，潜在地提供有关它们如何形成、合并和缓慢蒸发的新见解。黑洞是已知宇宙中最极端的物体之一。它们将大量质量压缩到一个极其小的区域，创造出极其强大的引力，使得连光也无法逃脱。为了理解这些宇宙物体，物理学家依赖爱因斯坦的广义相对论和量子力学。在1970年代初，史蒂芬·霍金和其他研究人员发现热力学定律（描述熟悉的过程，如在炉子上加热水）与黑洞行为之间存在惊人的联系。“霍金的黑洞力学定律提供了将极端物理与普通物理联系起来的令人满意的方式，并且在过去50年一直是范式，但它们有一个严重的局限性，”宾州州立大学伊伯利科学学院的阿贝哈·阿什特卡教授，研究小组的领导者说。“它们是为平衡状态下的黑洞制定的，即在时间上保持不变的黑洞，但黑洞是不断变化的，它们形成、合并并最终蒸发。我们想找到克服这一局限性、将定律扩展到不处于平衡状态的黑洞的方法。” 阿什特卡和他的同事们现在提出了一种新的方法来确定黑洞的熵，这一量度无序的量，根据热力学第二定律，其值永远不会减少。他们的发现发表在《物理评论快报》中，并被选为编辑推荐，介绍了一种与黑洞的自旋和能量更紧密相关的熵量度。研究人员表示，这可能会改善科学家对黑洞合并和蒸发等动态事件的理解。为什么霍金的框架需要更新 “黑洞力学的定律直接源于爱因斯坦的方程，”宾州州立大学的物理研究生和论文作者丹尼尔·E·帕拉伊佐说。“因为你无法看到黑洞，似乎有无数种方式可以产生黑洞，这使它们的熵也是无限的。人们还认为黑洞只会吸收能量，永远不会辐射，因此它们的温度为零。”起初，这些想法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，改变了这一观念。“这改变了对黑洞热力学性质的认识，从一种通过方程描述的数学概念，转变为更接近物理现实的东西，”帕拉伊佐说。“这为在黑洞中找到与热力学中熵和温度的类比打开了大门。”霍金提出，黑洞的事件视界的大小（即光都无法逃脱的边界）与其熵成正比。他还展示了黑洞的温度依赖于其质量和自旋的组合。 动态黑洞的更好测量 根据研究人员的说法，问题在于霍金的方法仅在黑洞处于平衡状态时有效。“不过，这里有一个问题，”宾州州立大学的物理研究生和论文作者乔纳森·舒说。“这些类比只对处于平衡状态的黑洞有效。在动态情况下，事件视界可能会在我们称之为时空的平坦区域中形成并生长，这些区域没有任何变化。这使得事件视界具有目的性——它们的属性不能仅根据黑洞的局部物理来确定，而是依赖于对未来可能发生或不发生事件的预测。因此，事件视界的面积不能作为动态黑洞物理熵的测量。如果我们想理解那些正在增长、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称之为“动态视界”的概念取代了传统的事件视界，这个概念在黑洞的计算机模拟中已经被广泛使用。与事件视界不同，动态视界是由黑洞在特定时间点的属性定义的，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的第一和第二定律扩展到不处于平衡状态的黑洞，从而克服过去半个世纪使用的范式的局限性，”阿什特卡说。“我们可以将这些广义定律应用于更好地理解量子理论中的蒸发黑洞和黑洞合并，如那些。