当黑洞不再静止，热力学还适用吗？

根据热力学第二定律，熵是衡量无序程度的物理量，并且不会减少。在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，一个研究团队提出了一种衡量黑洞熵的新方法，试图将霍金（Stephen Hawking）的黑洞力学定律推广到远离了平衡态、不断演化的动态黑洞——这些黑洞会形成、并合，并最终蒸发。

黑洞的温度和熵

在宇宙中已知的事物里，黑洞属于最极端的一类，它的引力强到连光也无法逃脱。为了描述黑洞的性质，物理学家长期依赖广义相对论和量子力学中的复杂方程。

然而，在20世纪70年代初，霍金和其他物理学家发现，描述普通事物的热力学定律，竟然与黑洞力学之间存在深刻相似之处。

起初，这一点并不显然。由于我们无法看到黑洞内部，对于一个外部看来相同的黑洞，似乎可能存在无数种形成它的方式和内部状态；从热力学角度看，这会让黑洞熵的问题变得非常棘手，甚至让人怀疑它的熵是否会趋于无限大。同时，人们也曾认为黑洞只会吸收能量而不会辐射，因此它的温度应该为零。如果黑洞具有无限大的熵和零温度，那么黑洞似乎又超出了热力学能够解释的范围。

但霍金后来利用量子力学证明，黑洞并非只进不出，而是可以辐射能量和粒子。这一发现改变了人们对黑洞热力学性质的理解：它不再只是方程中的数学类比，而更像是一种真实的物理性质。霍金进一步提出，黑洞事件视界的面积与其熵成正比，而黑洞的温度则与其质量和自旋的某种组合成反比。

正是这些发现，让黑洞力学在极端物理与普通热力学之间建立起一种令人惊讶的联系，并在过去50年里深刻塑造了人们对黑洞的理解。

但是，这其中存在一个关键的局限：它们是为处于平衡状态的黑洞建立的。换言之，它描述的是随时间保持不变的“理想”黑洞。真实宇宙中的黑洞却并不总是如此：它们会形成、增长、并合，并最终通过霍金辐射蒸发。在这些动态过程中，黑洞并不处于平衡态，而是在不断变化。

不再适合的事件视界

问题由此出现：如果黑洞正在演化，我们还能直接把“事件视界面积”当作黑洞熵的度量吗？

事件视界是黑洞周围的一道边界，任何东西一旦越过该边界，都将无法逃脱。对于处于平衡态的黑洞来说，用事件视界面积来刻画熵是合理的。但在动态情形下，即使在某些局部看起来“什么都没有发生”的平坦时空区域中，事件视界也可能形成和增长。正因如此，事件视界具有一种“目的论式”的特征：它的性质不能仅由黑洞附近的局部物理来决定，还依赖于对未来可能发生、也可能不发生的事件的预测。

这意味着，对于正在增长、蒸发或并合的动态黑洞来说，事件视界面积未必适合作为其物理熵的度量。如果科学家想把黑洞力学定律真正推广到非平衡态黑洞，就需要一个更适合动态过程的替代方案。

动力学视界

在这项新的研究中，研究团队提出了一种新的思路：用所谓的“动力学视界”来取代事件视界。动力学视界已经被用于黑洞数值模拟之中，它可以根据黑洞在某一给定时刻的物理性质来刻画，因此不再受事件视界那种“依赖未来”的“目的论式”问题的困扰。

基于这一点，研究团队提出了一种新的黑洞熵度量方式：对于正在演化的黑洞，熵可以与动力学视界片段的面积联系起来。这样一来，黑洞力学第一定律和第二定律就有可能被推广到非平衡态黑洞，从而克服过去半个多世纪以来传统范式的局限。

与传统事件视界相比，动力学视界更贴近黑洞在某一时刻的真实物理状态，也与黑洞的自旋和能量等性质联系更紧密。因此，它或许能帮助科学家更好地理解黑洞真实经历的动态过程——从黑洞增长、蒸发，到与另一个黑洞并合。

过去，黑洞力学定律让人们看到了黑洞与热力学之间的深刻联系。而这项新研究试图把这套框架推进到更真实的宇宙中。这意味着，黑洞熵的概念或许不再只属于静止、理想化的黑洞。它也可以进入真实、动态、不断变化的黑洞世界。对于理解黑洞如何生长、如何并合、如何蒸发，以及黑洞背后更深层的量子本质，这可能是一条新的道路。

#参考来源：

https://www.psu.edu/news/eberly-college-science/story/dynamic-black-holes-explained-simple-thermodynamics

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/3c1r-v8f1

https://arxiv.org/pdf/2512.11659

#图片来源：

封面图&首图：Jonathan Shu and Daniel Paraizo / Penn State. Creative Commons