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表面均匀性和高熵的组合暗示了某种重要的东西。它意味着,无论什么系统,必须由非常多的微观物体组成,所谓的微观物体应该满足两个条件:(a)太小而看不到;(b)可以用许多不同方式重组,而不改变系统的基本特征。
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贝肯斯坦如何计算黑洞的熵
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贝肯斯坦注意到黑洞必须有熵,换句话说,尽管它们表面光滑,然而它们拥有隐藏的信息,这是那些简单而深刻的观测之一,它一下子改变了物理学前进的方向。当我着手写这本通俗读物时,我得到了一个重要的忠告,只能保留一个方程:E=mc2。人们告知我,增加任何一个方程,就会少卖出10 000册书。坦率地说,这违背我的经验。人们喜欢被挑战,只不过是不喜爱繁复。经过大量的自我反省后,我打算冒险。贝肯斯坦的论点是如此出奇地简明、优美,使我感觉到如果不在本书中包括它,那将是一种可悲且弱智化的选材方式。然而,我将花费许多心血来解释结果,因此对于尽量少用数学的读者,尽可放心地跳过这几个简单的方程,而不会失去精华。
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贝肯斯坦没有直接讨论,一个已知尺寸的黑洞,可以隐藏多少比特的信息。相反,他考虑的是,如果单个比特信息掉入黑洞中,它的尺寸将如何变化。这类似于提出这样的问题,在浴缸中加入一滴水,水位会上升多少。甚至可以问得更好,如果将单个原子加入,水位会上升多少呢?
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这引发了另一个问题:如何加入单个比特呢?贝肯斯坦显然不能将印在一张纸上的单个点添加进去。因为点是由大量数目的原子组成的,纸也是一样,点中的信息远比单个比特大得多。最好的策略是添加一个基本粒子。
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例如,假定一个光子掉进黑洞之中,连一个光子所携带的信息都超过单个比特。特别地,需要大量的信息才能准确地知道光子进入视界中的位置。贝肯斯坦为此而巧妙地运用了海森伯的不确定性概念。他认为,只要光子不进入黑洞,那么它的位置应该尽可能是不确定的。这样一个在黑洞某处的“不确定的光子”的存在,将会仅仅输运单个比特信息。
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我们回忆一下第4章,分辨光束能力的方法莫过于探查它的波长。在如今这一特殊情形下,贝肯斯坦不想在视界处来分辨一个点,他想让它尽可能地模糊。技巧就是利用一个长波光子,它延展到整个视界。换句话说,如果视界是史瓦西半径Rs,那么光子大致应该有如此相同的波长。至于更长波长的光子并非更好的选择,因为它们会从黑洞上反弹,而不会被捕获。
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贝肯斯坦认为,将额外的比特加入到黑洞中会让它有微小的增长,这类似于在气球上增加一个橡皮分子会增大它的尺寸一样。但是计算增长需要一些中间步骤,我首先概要地说明它们。
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1.首先,我们需要知道当加入单个比特信息时,黑洞的能量增加多少。当然,这个数目等于携带单个比特信息的光子的能量。因此,确定光子能量是第一步。
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2.接下来,我们需要确定当额外的单个比特加入到黑洞中时,黑洞质量的变化。为了完成此事,我们回忆爱因斯坦最著名的方程:
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E=mc 2
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不过我们倒过来使用它,即用增加的能量来计算质量的变化。
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3.一旦质量的改变为已知,我们就可以利用拉普拉斯和史瓦西计算出来的同一个公式来计算史瓦西半径的改变(见第2章)。
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Rs=2MG/c 2
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4.最后,我们必须确定视界面积的增加。为此,我们需要利用球面的面积公式
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视界面积=4πR 2s
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我们从单个比特的光子的能量开始。正如我早先所说明的,光子应该有足够长的波长,以至于它在黑洞内部位置是不确定的。这就意味着波长应为Rs,根据爱因斯坦的理论,波长为Rs的光子的能量由下式给出:[80]
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E=hc/Rs
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在这个公式中,h是普朗克常数,c是光速。结论是,落入黑洞中的单个比特的信息会使黑洞的能量增加hc/Rs。
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接下来的一步是计算黑洞质量的改变。为了将能量转化为质量,你需要除以c2,这意味着黑洞质量的增加量为h/Rsc。
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质量的改变=h/Rsc
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我们插入一些数,来看单个比特信息会使具有太阳质量的黑洞的质量增加多少。[81]
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普朗克常数h 6.6×10-34
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黑洞的史瓦西半径 3000米(=2英里)
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