黑洞如何消耗熵

熵是构成整个物理领域(在本例中为热力学)核心的可怕而深刻的概念之一，不幸的是，它的数学性很强，很难用简单的语言解释。但我们会尝试一下。每当我看到“熵”这个词时，我喜欢用“计算可以重新安排场景的方式数量，同时保持其基本相同”这句话来替换它。我同意，这有点拗口，所以熵必须发挥作用。

周末早上，你起床后决定最终解决打扫卧室的艰巨任务。你拿起、清洗、折叠并收起你的衣服。你把床单弄直。你把枕头弄松了。你整理你的内衣抽屉。经过几个小时的努力，你站起来欣赏自己的杰作，但你已经能感觉到胃里一阵不安。不久之后，你就会知道事情又会变得一团糟。

你本能地知道这一点，因为只有一种独特的方法可以让房间井井有条，所有东西都有地方放置，并且所有东西都各就其位。只有一种方法可以实现这种精确的场景。既然您现在已经熟悉了这个词，您就可以随意使用它：您可能会说一个完全干净的房间具有非常低的熵。

让我们介绍一些紊乱。你拿起一只未配对的袜子，把它扔进你的房间。现在很乱。你可以对这种混乱情况进行量化衡量。你孤独的袜子可能会掉在地板上。它可以放在床上。它可能有一半从抽屉里伸出来。您可以通过多种方式重新安排这种场景(房间里出现一只不整洁的袜子)，同时保持总体情况不变。熵较高。

然后你的狗，或者你的孩子，或者你的狗和孩子冲进房间。混乱随之而来。没有什么是在它应该在的地方，而且几乎有有限数量的方法可以达到同样程度的混乱。熵——以及挫败感——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(物理学家非常容易处理的一个量)，他们还可以掌握系统中的信息量。

这适用于宇宙中的任何系统，例如黑洞。

从1981年开始，物理学家雅各布·贝肯斯坦(他的工作几乎让我们提到贝肯斯坦辐射)发现了关于黑洞及其事件视界的两个引人注目的、非直观的事实。第一，黑洞内包含的体积代表了宇宙中任何类似大小的体积所能拥有的绝对最大熵量。

换句话说，黑洞是最大熵的球体。让我们明白这一点。无论你的房间变得多么混乱，无论你有意或无意地增加了它的熵多少，你永远无法击败房间大小的黑洞的熵。这一事实应该立即引发一些令人不安但又有趣的问题。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?这仅仅是一个巧合，还是这让我们学到了一些关于量子力学、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，那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，它就会变得更大。这本身并不奇怪，但黑洞(而且只有黑洞)的增长方式是，它们的表面积(而不是体积)与传入其中的新信息量成比例增长。

如果你考虑宇宙中的任何其他系统——一颗恒星消耗一颗行星，你消耗一个芝士汉堡——组合系统的熵和信息都会增加。音量也是如此(对于明星和你来说)。并且体积随着信息量的增加成比例地增加。但由于某种我们尚未理解的原因，黑洞违背了这种常识性的直观图景。