新定律暗示熱力學時間在黑洞內部倒流

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我們都知道黑洞有很多奇怪的特性,像是沒有任何東西,甚至是光,在掉進黑洞後還可以逃脫。但同樣奇怪的特性卻鮮有人知道的是,黑洞好像是知道未來會發生什麼事,以便於在一開始就形成。然而,這個奇怪特性開始於黑洞被定義的方式,這給了一些物理學家探索其他的定義。

在物理評論通訊(Physical Review Letters)發表的一篇新論文,加州大學柏克萊分校教授Raphael Bousso和勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)以及加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara )研究生Netta Engelhardt,提出一項在廣義相對論下新面積定律(new area law)的報告。這項新定律是根據一個解釋,把黑洞當做彎曲幾何物體(curved geometric object),稱為”全息螢幕(holographic screens)”。

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Engelhardt告訴Phys.org:「這個所謂的黑洞事件視界目的論(teleology),是物理學家在定義事件視界的人為加工方式:事件視界是關於無限未來流逝時間(infinite future elapsed time)的定義。因此,藉由定義,它’知道’有關整個宇宙的命運。在廣義相對論中,黑洞事件視界無法在有限時間被任何實質觀察者觀察到,並且做為一個實體黑洞知道未來的無限也沒有意義。它只是描述黑洞的一個方便的方式。」

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如同Engelhardt所解釋,一個全息螢幕如此有趣的原因是,它們被定義在一種方式,依賴更多的局部特性以及不需要未來無限的資訊。

她說:「這是造成像全息螢幕的物體如此有吸引力的一個特性:在它們被定義的方式之下,它們沒有受損於如此奇怪的特性。」

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在他們的論文,物理學家報告一項新面積定律,講述全息螢幕面積朝哪一個方向增加,端賴螢幕是一個"未來全息螢幕",或者是一個"過去全息螢幕"。如同科學家解釋,這兩種類型的螢幕對應於不同類型的重力場。

Engelhardt說:「全息螢幕是強烈重力場區域一個局部邊界的觀念。未來全息螢幕對應於重力場把物質拉在一起(例如:黑洞、大崩墜);而過去全息螢幕對應於把物質向外散開的區域(例如:大爆炸、白洞)。」

黑洞模型

這個新面積定律陳述,未來全息螢幕面積總是朝一個方向增加,而過去全息螢幕面積總是朝第二個(不同的)方向增加。當從熱力學的觀點以及使用時空是一個全息圖的想法來看,這個定律有一些吸引人的解釋。根據全息原理(holographic principle),在某一地區的資訊或熵的量,與表面面積有關。因此藉由解釋這個面積是熵的一個領域,這個面積定律能夠揭露熱力學時間的方向(如同科學家所提,是和數學上的時間不一樣)。

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新的定律說未來的全息螢幕(藍線a)永遠往一個方向擴張,而過去的全息螢幕(藍線b)永遠往不同方向擴張

因為未來和過去全息螢幕面積朝不同的方向增加,兩個螢幕類型的時間方向是不同的。在過去全息螢幕,時間是向前移動。膨脹的宇宙,例如我們的宇宙,牽涉到過去全息螢幕,因此我們自然意識到熱力學時間是向前跑。相較之下,時間在未來全息螢幕是向後跑。就某種意義上來說,這樣的解釋有個奇特的結果,熱力學的時間在黑洞內是倒流,然後崩塌宇宙。

科學家在他們的論文也提到,這是自從1971年以來,在廣義相對論下第一個新的、明顯可應用的面積定律,當時史帝芬霍金(Stephen Hawking)展示黑洞的事件視界(也就是它的總表面面積)絕不會變得更小。然而在後來,霍金展示在量子效應之下,黑洞放射出輻射,這個放射造成黑洞的事件視界、表面面積、以及質量會隨著時間減小,因此黑洞最終蒸發。然而在沒有量子效應之下,霍金面積定律依然有效。
對Bousso和Engelhardt來說,這也是一個未來研究的領域,調查新面積定律如何可以在量子效應下保持完好。

Engelhardt說:「我們的面積定律在量子效應不存在時有效。然而在未來,我們希望證明一個更廣義的面積定律,在特定的量子效應下更為普遍地有效。」

更多的資訊:請參閱Raphael Bousso和Netta Engelhardt在物理評論通訊所發表的”在廣義相對論的一個新的面積定律(A New Area Law in General Relativity)”。數位物件識別號(Digital Object Identifier,DOI):10.1103/PhysRevLett.115.081301

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來源: Phys.org