黑洞如何影响宇宙的熵，是增加，还是减少？

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

艺术家对围绕黑洞的观察。图片来源：Caltech/R. Hurt （IPAC）

熵是构成整个物理学领域（在这种情况下是热力学）核心的可怕深奥概念之一，不幸的是，它是如此数学化，以至于很难用通俗易懂的语言来解释。但我们会试一试。每当我看到“熵”这个词时，我都喜欢用“计算我可以重新安排场景的方式数量，同时保持它基本不变”这句话来代替它。我同意，这有点拗口，所以熵必须做。

你在周末早上起床，决定最终完成打扫卧室的艰巨任务。你拿起、清洁、折叠和收起你的衣服。你拉直你的床单。你把你的枕头弄蓬松了。你整理你的内衣抽屉。经过几个小时的努力，你退后一步欣赏你的手工艺品，但你已经能感觉到胃里的不安感。用不了多久，你就知道它会再次变得混乱。

你本能地知道这一点，因为只有一种独特的方法可以拥有一个完美有序的房间，一个容纳一切的地方。只有一种方法可以实现这种精确的方案。既然你现在已经熟悉了这个词，你可以随意使用它：你可能会说一个完全干净的房间的熵非常低。

让我们介绍一些混乱。你拿一只未配对的袜子，把它扔到你的房间里。现在很乱。你可以对这种混乱进行量化的衡量。你孤独的袜子可以放在地板上。它可以放在床上。它可以从抽屉里伸出一半。有多种方法可以重新安排这种情况 - 房间里出现一只不整洁的袜子 - 同时保持总体情况相同。熵更高。

然后你的狗，或者你的孩子，或者你的狗和孩子撞进房间。混乱接踵而至。没有什么是它应该在的地方，而且几乎有有限数量的方法可以达到相同程度的混乱。熵和挫败感确实非常高。

物理学家喜欢使用熵，因为它也是对系统中的信息进行编码的便捷方法。因此，通过测量熵（物理学家非常熟悉的量），他们也可以掌握系统中的信息量。

这适用于宇宙中的任何系统，如黑洞。

从1981年开始，物理学家雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）——他的工作差一点就让我们提到贝肯斯坦辐射——发现了两个关于黑洞及其事件视界的非凡、不直观的事实。首先，黑洞中包含的体积代表了宇宙中任何类似大小的体积所能具有的绝对最大熵量。

换句话说，黑洞是最大熵的球体。让它沉入其中。无论你的房间变得多么凌乱，无论你有意或无意地增加它的熵，你永远无法击败一个房间大小的黑洞的熵。这一事实应该立即引起一些令人不安但耐人寻味的问题。在宇宙中所有奇妙的创造中，为什么大自然选择黑洞来容纳最多的熵？这仅仅是巧合，还是这教会了我们一些关于量子力学、引力和信息之间联系的有价值的东西？

当你了解到贝肯斯坦发现的关于黑洞的第二个事实时，这种不安和兴奋的双重感觉应该会加剧。当你向黑洞添加信息时，它会变得更大。这本身并不奇怪，但黑洞——而且只有黑洞——以这样的方式增长，即它们的表面积，而不是它们的体积，与进入它们的新信息量成正比。

如果你以宇宙中的任何其他系统为例——一颗恒星吞噬一颗行星，你吞噬一个芝士汉堡——组合系统的熵和信息都会上升。音量也是如此（无论是对明星还是对你）。而且数量与信息量的增加成正比。但是黑洞，出于某种我们仍然无法理解的原因，违背了这种常识性的直觉图景。

原标题：《黑洞如何影响宇宙的熵，是增加，还是减少》

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