中国国家天文 24-01-03 18:00
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#什么是熵?#
熵是构成整个物理学领域(本文中指的是热力学)核心的一个深奥概念,很难用通俗易懂的语言来解释——但我们还是要试一试。
你在周末的早晨起床,然后开启清理卧室的艰巨任务。你收拾、清洁、折叠、放好衣服;整理床单;把枕头拍得松软;整理内衣抽屉。
经过几个小时的努力,你终于能欣赏自己的劳动成果。但你开始感觉到隐隐有着不安在胃里翻腾。过不了多久,你就知道一切又会变得一团糟。
你本能地知道这一点:只有一种方法可以让房间非常有序,那就是让每样东西都放得井井有条。也就是说,一个完全干净的房间具有非常低的熵。
现在让我们引入一些无序。你把一只袜子丢进房间里,于是房间变乱了。你可以对这种混乱进行量化测量:袜子可以在地板上、在床上,甚至是半开的抽屉上。这时熵增加了。
然后有只狗或者一个小孩冲进了房间。更大的混乱随之而来,房间里一片狼藉。这时熵和挫败感都会变得非常高。
物理学家喜欢使用熵,因为它是对系统中的信息进行编码的便捷方法。通过测量熵,物理学家可以很容易就掌握系统中的信息量。
这适用于宇宙中的任何系统,比如黑洞。
上世纪,物理学家雅各布·贝肯斯坦发现了两个关于黑洞的重要事实。一是黑洞是宇宙中熵值最大的球体。无论你的房间变得多么凌乱,无论你如何有意无意地增加它的熵,你都永远无法超越一个房间大小的黑洞的熵。那么,为什么在宇宙所有奇妙造物中,大自然选择了黑洞来包含最多的熵呢?这只是巧合,还是量子力学、引力和信息存在某种神秘联系?
关于黑洞的第二个事实,是当你向黑洞中添加信息时,它会变得更大,其表面积(而非体积)与信息的增加量成正比。宇宙中的任何其他系统在增加信息量时,体积都会随之增加。只有黑洞例外。而个中原因,我们至今未能了解。
图为黑洞的艺术想象图。
来源:http://t.cn/A6lrxpbJ
图源:http://t.cn/A6lrxpbx