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天文随心听|讲述宇宙与人的故事 · Today · 10 min

【第二季】269|【黑洞之问】贝肯斯坦——黑洞有熵

1972年,25岁的普林斯顿博士生雅各布·贝肯斯坦提出了一个所有人都反对的猜想:黑洞有熵,且正比于视界面积。这个猜想的灵感来自一个朴素的思想实验——把一杯热茶倒进黑洞,宇宙的熵是否减少了?为了拯救热力学第二定律,贝肯斯坦赌了一个方向:黑洞不是没有熵的"经典怪物",它有热力学属性。整个学界反对他,反对最激烈的霍金决定亲手证明他错了。两年后,霍金算出了一个连自己都吓了一跳的结果。 本期你会听到: 惠勒的思想实验:一杯热茶倒进黑洞,宇宙熵减少了吗? 面积定理的启发:视界面积永不减少,和熵增定律惊人相似 贝肯斯坦-霍金熵公式:黑洞的熵正比于视界面积,而非体积 霍金的反对:有熵就有温度,有温度就会辐射,但黑洞连光都逃不掉 一个25岁博士生的判断力:凭"热力学第二定律不会失效"的信念赌一个方向 时间线: 1971年:霍金证明黑洞面积定理——视界面积永不减少 1972年:贝肯斯坦在博士论文中提出黑洞熵猜想 1974年:霍金算出黑洞辐射,证明贝肯斯坦是对的 金句精选: "如果黑洞让宇宙的熵减少了,那不是热力学第二定律出了问题,是我们对黑洞的理解出了问题。" "不是先有证据才有判断,是先有判断才去找证据。" "面积不减,和熵不减,惊人地相似。但'像'不等于'是'——你可以把猫和老虎类比,但猫不是老虎。" 核心问题: 贝肯斯坦面对的核心矛盾是:热力学第二定律说孤立系统的熵只能增加,但黑洞无毛定理暗示黑洞的熵为零——把带有熵的物体扔进黑洞,宇宙的总熵就减少了。为了拯救第二定律,贝肯斯坦赌了一个方向:黑洞有熵,且正比于视界面积。这个猜想是对是错,要等霍金亲手计算才能见分晓。而那个计算的结果,将彻底改写黑洞的命运。 参考文献: Bekenstein, J.D. (1973). "Black holes and entropy". Physical Review D, 7, 2333-2346. Hawking, S.W. (1971). "Gravitational Radiation from Collapsing and from Black Holes". Physical Review Letters, 26, 1344-1346.(面积定理) Bekenstein, J.D. (1981). "Universal upper bound on the entropy-to-energy ratio for bounded systems". Physical Review D, 23, 287-298.(贝肯斯坦界)

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1972年,25岁的普林斯顿博士生雅各布·贝肯斯坦提出了一个所有人都反对的猜想:黑洞有熵,且正比于视界面积。这个猜想的灵感来自一个朴素的思想实验——把一杯热茶倒进黑洞,宇宙的熵是否减少了?为了拯救热力学第二定律,贝肯斯坦赌了一个方向:黑洞不是没有熵的"经典怪物",它有热力学属性。整个学界反对他,反对最激烈的霍金决定亲手证明他错了。两年后,霍金算出了一个连自己都吓了一跳的结果。

本期你会听到:


惠勒的思想实验:一杯热茶倒进黑洞,宇宙熵减少了吗?


面积定理的启发:视界面积永不减少,和熵增定律惊人相似


贝肯斯坦-霍金熵公式:黑洞的熵正比于视界面积,而非体积


霍金的反对:有熵就有温度,有温度就会辐射,但黑洞连光都逃不掉


一个25岁博士生的判断力:凭"热力学第二定律不会失效"的信念赌一个方向

时间线:


1971年:霍金证明黑洞面积定理——视界面积永不减少


1972年:贝肯斯坦在博士论文中提出黑洞熵猜想


1974年:霍金算出黑洞辐射,证明贝肯斯坦是对的

金句精选:


"如果黑洞让宇宙的熵减少了,那不是热力学第二定律出了问题,是我们对黑洞的理解出了问题。"


"不是先有证据才有判断,是先有判断才去找证据。"


"面积不减,和熵不减,惊人地相似。但'像'不等于'是'——你可以把猫和老虎类比,但猫不是老虎。"

核心问题: 

贝肯斯坦面对的核心矛盾是:热力学第二定律说孤立系统的熵只能增加,但黑洞无毛定理暗示黑洞的熵为零——把带有熵的物体扔进黑洞,宇宙的总熵就减少了。为了拯救第二定律,贝肯斯坦赌了一个方向:黑洞有熵,且正比于视界面积。这个猜想是对是错,要等霍金亲手计算才能见分晓。而那个计算的结果,将彻底改写黑洞的命运。

参考文献:


Bekenstein, J.D. (1973). "Black holes and entropy". Physical Review D, 7, 2333-2346.


Hawking, S.W. (1971). "Gravitational Radiation from Collapsing and from Black Holes". Physical Review Letters, 26, 1344-1346.(面积定理)


Bekenstein, J.D. (1981). "Universal upper bound on the entropy-to-energy ratio for bounded systems". Physical Review D, 23, 287-298.(贝肯斯坦界)