参考消息网7月19日报道 据美国《科学日报》网站7月13日报道，物理学家斯蒂芬·霍金的黑洞定律刚刚获得重大升级。

  科学家提出一种描述黑洞的新方法，该方法有可能克服霍金最具影响力的理论之一的一个重大局限。这项研究引入了一种最新的黑洞热力学方法，即使在黑洞随时间发生变化的情况下也适用，这有可能为我们了解黑洞如何形成、合并和缓慢蒸发提供新的见解。

  黑洞是已知宇宙中最极端的天体之一。它们将巨大的质量压缩到极小的区域，产生的引力如此强大，以致连光都无法逃脱。物理学家依靠爱因斯坦的广义相对论和量子力学来了解这些宇宙天体。

  在20世纪70年代初，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。热力学定律描述在炉子上加热水等熟悉的过程。

  研究团队负责人、宾夕法尼亚州立大学埃伯利理学院的阿瑟顿大学教授和物理学埃文·皮尤名誉教授阿布海·阿什特卡说：“霍金的黑洞力学定律在极端物理学和普通物理学之间建立了令人满意的联系，并已成为50年来的范式，但它们有一个严重的局限性。它们是为处于平衡状态或者说不随时间改变的黑洞制定的，但黑洞是不断变化的，它们形成，合并，最终蒸发。我们想找到一种方法来克服这个局限性，并将这些定律扩展到非平衡状态的黑洞。”

  阿什特卡及其同事提出了一种测定黑洞熵的新方法。熵是衡量无序程度的量，根据热力学第二定律，它永远不会减小。他们的研究成果发表在美国《物理评论快报》周刊上，并被选为编辑推荐文章。该研究成果引入了一种与黑洞自旋和能量更紧密相关的熵的度量指标。研究人员表示，这可以使科学家更好地了解黑洞合并和蒸发等动态事件。

  论文作者、宾夕法尼亚州立大学物理学研究生丹尼尔·E.帕赖索说：“黑洞力学定律直接来自爱因斯坦的方程。因为你无法看到黑洞内部，所以似乎有无限多的方式来制造黑洞，从而它们的熵也是无限的。它们还被认为只吸收能量，从不辐射，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的熵并且没有温度。霍金后来利用量子力学证明黑洞可以发射粒子和能量，从而改变了这一观点。

  帕赖索说：“这改变了人们对黑洞热力学性质的思考，从一种用方程描述的数学概念，变成了更像一种物理现实。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（即连光都无法逃脱的边界）的大小与其熵成正比。他还证明，黑洞的温度取决于其质量和自旋的综合作用。

  据研究人员说，问题在于霍金的方法只有在黑洞处于平衡状态时才有效。

  宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、论文作者之一乔纳森·舒（音）说：“不过有一个问题。这些类比只适用于处于平衡状态的黑洞。在动态情况下，事件视界可以在我们所说的平坦时空区域形成和发展，那些区域没在发生任何事情。这使得它们具有目的性——它们的特性不能仅仅由黑洞的局部物理特性决定，而是依赖于对未来可能发生或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衡量标准。如果我们想了解正在增长、蒸发或合并的黑洞，我们需要一个可行的替代方案。”

  该团队的解决方案用物理学家所说的“动态视界”取代传统的事件视界，这个概念已经广泛应用于黑洞的计算机模拟中。与事件视界不同，动态视界是由黑洞在特定时刻的特性定义的，避免了对未来事件的依赖所产生的复杂性。

  阿什特卡说：“这使我们能够将热力学第一和第二定律扩展到非平衡状态的黑洞，从而克服了半个多世纪以来使用的范式的局限性。我们可以应用这些广义定律来更好地了解量子理论中的蒸发黑洞和黑洞合并现象，就像LIGO-Virgo-KAGRA合作组织利用引力波探测到的黑洞合并事件那样。”（编译/王海昉）