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光速c 3×108
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牛顿常数G 6.7×10-11
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因此,将单个比特信息加入到一个具有太阳质量的黑洞中,会使它的质量有一个极小的变化:
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质量的增加=10 -45千克
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上式表明,增加量惊人地小却“不是空门”。[82]
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我们进入到第三步,利用质量和半径之间的关系来计算Rs的改变。用代数符号来表示,答案如下:
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Rs的增加=2hG/(Rsc 3)
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对具有太阳质量的黑洞而言,Rs大约是3000米。如果我们代入所有数值,将会发现半径增长为10-72米。这不仅远小于原子的尺寸,而且远小于普朗克长度(10-35米)。你可能会对这个如此小的改变而感到惊讶,为什么我们要费事计算它呢?然而我们一旦忽略它,就会发生错误。
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最后一步是计算出视界面积的改变量。视界面积的增加大约是10-70平方米。这非常小,但又一次“不是空门”。它不仅不是一个空门,而且是某种非常特殊的事物:10-70平方米恰好等于1平方普朗克单位。
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这是一个意外吗?如果我们尝试用具有地球质量的黑洞(越橘般大小的黑洞),或者比太阳重10倍质量的黑洞,会发生什么呢?或者用数值,或者用方程,尝试计算它。无论黑洞原来的尺寸大小是什么,我们总能得到下面的规则:
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加入1比特信息所导致的任何黑洞的视界面积的增加为1普朗克面积单位或者为1平方普朗克单位。
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无论如何,藏身于量子力学和广义相对论原理中的不可分割的比特信息与普朗克尺寸的面积之间有着神秘的联系。
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当我在物理课上向斯坦福医学预科班的学生讲述上面内容时,房间后面的某个人发出了一声长而低沉的口哨声,接着说:“酷呜儿。”[83]它的确酷,然而它同时也深刻,很可能是解决量子引力难题的关键。
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现在我们想象一点一点地构建黑洞,正如你可能一个原子一个原子地填充浴缸一样。每次你增加单个比特的信息,视界面积增加一个普朗克单位。当黑洞形成时,视界面积等于隐藏在黑洞之中信息的总比特数。这是贝肯斯坦的伟大功绩,总结在下面这条格言中:
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以比特来衡量的黑洞熵,正比于以普朗克单位衡量的视界面积。
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或者,更为简洁地说:
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信息等于面积。
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仿佛视界差不多是被不可压缩的信息密密地覆盖着,几乎与桌布被硬币覆盖的方式相同。将另外一个硬币加入到这一堆硬币之中,会使面积增加一个硬币的面积。比特与硬币,这是同一个原理。
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这个图景的唯一问题是,视界上没有硬币。如果有,那么当爱丽丝落入黑洞时,会发现它们。[84]根据广义相对论,对自由下落的爱丽丝而言,视界是不可见的一去不复返点。她遇到像铺满硬币的桌布之类的东西的可能性,与爱因斯坦的等效原理直接冲突。
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由比特材料密密地堆积在一起的视界,与仅作为一去不复返点的视界表面不一致,这是黑洞战争的宣战原因。
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自贝肯斯坦的发现之后,物理学家感到困惑的另一点是:为什么熵正比于视界面积,而不是黑洞内部的体积呢?似乎有很多内部的空间被浪费了。事实上,黑洞看起来像托勒密的图书馆。我们会在第18章中再回到这些问题的讨论,在那里我们将会看到整个世界是一幅全息图。
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虽然贝肯斯坦有了正确的想法,即黑洞的熵正比于面积,然而他的论证不是非常的精确,这一点他本人也十分清楚。他没有说熵等于以普朗克单位衡量的面积,因为他的计算中存在许多的不确定性,他只能说黑洞的熵大约等于(或正比于)面积。在物理学中,大约是一个难以捉摸的词。它是2倍的面积还是1/4的面积呢?虽然贝肯斯坦的论证是卓越的,但是它不够强到能用来精确地确定比例因子。
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在下一章中,我们将看到贝肯斯坦的关于黑洞熵的发现如何引导史蒂芬·霍金得到他的最伟大的洞见:黑洞不仅像贝肯斯坦所推断的那样具有熵,它们同时也具有温度,并非是物理学家所认为的无限冷的、无生机的物体。黑洞由于它的内部温度而闪光,然而这个温度导致了它们最终的灭亡。
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