黑洞熱力學(xué)（黑色 hole 熱力學(xué)）。黑洞是廣義相對論所預(yù)言的最驚奇的天體。在經(jīng)典（非量子的）物理學(xué)內(nèi)，相對論決定了任何進入黑洞的物質(zhì)都無法從中逃脫。它的引力是如此之強，以至于連光也無法逃脫它的吸引。所以黑洞只吸收物質(zhì)，不吐出物質(zhì)。即黑洞是“黑”的，人們無法直接“看”到它。大量的觀測證據(jù)表明，我們的宇宙中存在許多這樣驚奇的天體。
黑洞可通過普通天體（滿足蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡限）的引力坍縮而形成。原先曾認(rèn)為，描述一個黑洞的形狀和形成這一黑洞物質(zhì)的性質(zhì)需要許多參數(shù)。但在20世紀(jì)60年代，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，描述一個穩(wěn)態(tài)黑洞外部的幾何和性質(zhì)只需要三個物理量：黑洞的質(zhì)量M、角動量J和黑洞所攜帶的電荷Q。在引力坍縮過程中，描述物質(zhì)其他性質(zhì)的物理量均已丟失。這一性質(zhì)被美國 物理學(xué)家J.惠勒稱為黑洞無毛定理。廣義相對論中，最一般的穩(wěn)態(tài)黑洞解是克爾－紐曼解，它描寫了一個轉(zhuǎn)動帶電荷的黑洞。
學(xué)科創(chuàng)立
既然黑洞只吸收物質(zhì)，不吐出物質(zhì)，惠勒提出了一個問題：設(shè)想一個帶熵的物體和某個黑洞組成一個系統(tǒng)，物體被黑洞吸收前，整個系統(tǒng)的熵即為物體的熵；當(dāng)物體被黑洞吸收后，整個系統(tǒng)的熵消失了。這一過程明顯地違反了熱力學(xué)第二定律。黑洞系統(tǒng)中熱力學(xué)第二定律能否成立，當(dāng)時惠勒的學(xué)生J.貝肯斯坦研究了這一問題。1972年他設(shè)想熱力學(xué)第二定律應(yīng)該是普適成立的，從信息論的角度出發(fā)，認(rèn)為黑洞應(yīng)該有一個正比于它的視界面積的熵。但他無法確定這一正比系數(shù)。確定這一系數(shù)并把雅各布·貝肯斯坦的黑洞熵真正建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上要歸功于英國著名理論物理學(xué)家S.斯蒂芬·霍金。當(dāng)考慮黑洞附近的量子場論時，1974年他發(fā)現(xiàn)黑洞并不完全是“黑”的，而是以熱輻射的形式輻射出物質(zhì)。黑洞的輻射溫度正比于它的表面引力（重力加速度）。最簡單的球?qū)ΨQ黑洞是施瓦茨雪爾德黑洞，它的霍金輻射溫度是：
這里?為普朗克常數(shù)h除以2π，c是光速，k是路德維希·玻爾茲曼常數(shù)，G為牛頓引力常數(shù)，M是黑洞的質(zhì)量。對于一個太陽質(zhì)量的黑洞，它的霍金溫度大約只有10??K。基于這一溫度，黑洞熵與視界面積的關(guān)系被確定為：S=kc3A/4?G 這里A為黑洞視界面積。斯蒂芬·霍金發(fā)現(xiàn)的重要性不在于它的實際意義，而在于它的理論意義。因為普通天體大小的黑洞霍金溫度是如此之低，所以熱輻射對這些黑洞演化的影響是微不足道的。很明顯黑洞熱輻射是一種量子效應(yīng)。所以，霍金熱輻射的發(fā)現(xiàn)，使廣義相對論、熱力學(xué)和量子力學(xué)在黑洞物理中被聯(lián)系在一起。
學(xué)科內(nèi)容
對照普遍的熱力學(xué)體系，黑洞熱力學(xué)的主要內(nèi)容可由所謂的4個黑洞熱力學(xué)定律來概括：
①第零定律。對于一個穩(wěn)態(tài)黑洞，它的視界表面引力是一常數(shù)，定義了黑洞的溫度：
這里K為黑洞的表面引力。
②第一定律。黑洞的熱力學(xué)量滿足如下能量守恒定律：
這里J和Q分別是黑洞的角動量和電荷，Ω和Φ是黑洞的角速度和靜電勢。
③第二定律（推廣的）。黑洞熵和黑洞外物質(zhì)熵之和在任何物理過程中永不減小，
即這里S和S分別為黑洞和黑洞外物質(zhì)的熵。
④第三定律。不能經(jīng)過有限的物理過程將黑洞的溫度（表面引力）降低到零。
理論意義
黑洞熱力學(xué)最重要的啟示之一是，對于一個有限的體系，它的自由度不是正比于它的體積，而是它的面積。根據(jù)黑洞熱力學(xué)，諾貝爾獎得主、荷蘭著名的理論物理學(xué)家G.霍夫特在1993年提出了全息原理。1994年美國物理學(xué)家L.薩斯坎德進一步闡述了這一原理。全息原理認(rèn)為，一個包含引力的理論可與一較低維度的不包含引力的理論等價。這一原理被認(rèn)為可能是描述自然的基本原理之一。
參考資料 >