探討星系內黑洞的熵演化

化 邁

西安市高新一中高中部，陜西西安 710075

黑洞（Black hole）是根據現代的廣義相對論所預言的，在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體。黑洞是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后，發生引力坍縮而形成。黑洞的稱謂源于其類似熱力學上完全不反射光線的黑體。熵的一般意義就是：喪失、衰落、損耗，表征系統機能效率的衰減或創造能力下降乃至于喪失，關于星系內黑洞的熵演化，目前一直在探討。

1 關于黑洞的熵及演化爭論

自20世紀七八十年代來，關于黑洞的熵及演化問題，產生了一次劇烈的爭論，主要是來自兩個學派之間的爭論，為Bekenstein與Hawking的兩個不同學派，兩派的首先在黑洞的視野而積類比的爭論上，Bekenstein認為可以將黑洞類比于黑體，因此，其視界而積就可以類比嫡，同時，其視界而上的引力加速度類比成黑洞的溫度，整個類比過程后，就形成了黑洞長大的熵增加過程，為Clausius嫡增加原理。而Hawking的觀點明確反對此類比的過程，認為黑洞并沒有任何的隨機性，而是簡單性，如果黑洞作為一個靜止狀態，黑洞就為“無毛”狀態，質量、角動量和電荷就是決定此狀態的因素，黑洞不存在隨機性，即沒有熵的存在。之后，Bekenstein就Clausius嫡增加原理進行了反復的論證，且兩者都提出了各自的觀點，而是Bekenstein堅持認為黑洞的Clausius嫡增加原理是符合普遍原理的。

隨著Hawking在1972至1976年這個階段時期，通過研究論證，形成了黑洞蒸發模型，次模型的研究角度是從量子場論為基礎，形成了黑洞蒸發理論，該模型的結論恰巧又與Bekenstein相統一，并且Bekenstein認為，上述的模型論證，是與類比設相一致，并且證明了兩個重要觀點：一是視野溫度表示，而是黑洞熵與視野而積的正比相關性。整個爭論過程，最后發現，兩者的理論是從兩個相反的角度出發，論證了熵增加的過程，一個是自發長大，一個是自發消亡過程。此爭論的最后結論都已經沒有論據可以證實理論的可行性，主要是由于兩派的理論都排除嫡作為狀態函數存在的基本問題，其次是物質的創生從他們的理論而言，是由熵增加的自發過程所引致的結果。同時，爭論中也面臨著三個重要命題需要明確，即Clausius熱力學第二定律在物質演化理論中的普遍適用性如何去判定；Hawking的理論在熵的增加還是減少問題上如何認定；黑洞自發性變化過程中的熵增加與減少的認定問題。

從兩個學派的論證中，已經對文獻對Clausius熱力學適用性問題提出了明確的論證，即該理論并不是絕對使用所有物質演化的過程，具有一定的條件可行性。

2 黑洞形成過程中需要確定兩個基本過程

在星系中，黑洞的形成過程，基本的兩個過程具有必然性，首先是在形成過程中，物質粒子的運動過程，在此過程中，主要是處于黑洞中心的的引力場，將物質粒子的吸入黑洞視界中，即為“整肅”過程；其次是黑洞視界面引來的物質粒子，具有高速運動性，沿徑運動過程中撞擊黑洞視界面，形成“撞擊輻射”。

2.1 “整肅”過程

黑洞形成過程之一是“整肅”過程，因為此過程是發生在黑洞中心體的引力場作用下，物質粒子的引力勢能與動矩是呈現出了一個無序分布的粒子系狀態，在此狀態中，引力場作用形成了運動路徑，射入視界運動狀態。所有的粒子在引力場中的運動，是伴隨著其自身特點形成不同的層級狀態的，這個層級狀態，根據的是粒子自身的動能，在視界中到達先后次序來形成的，此過程是一個自動分層的過程。如圖1所示，整個過程就是與 “無毛定理”的結論相統一的。深入分析可知，在星系中的粒子運動軌跡的變化，是依據處于中心體引力場中的粒子具備了一定的動矩狀態，此動矩狀態是有大小和方向，確立了運動的軌跡是依據中心體為點，做類似于橢圓形狀的軌跡運動，整個運動過程也處于持續變化的過程，調整各自的方向，最后的方向確立為中心體的徑向，粒子再沿徑到視界中。粒子從無序化轉變成了有序化的過程，并形成了粒子系。據此，可知，“整肅”過程具備了熱力學過程的要素，并且具備了熵變化的元素，最主要的是，本過程中，由于在星系中，逐步將無序分布的高熵態粒子系通過引力場的作用，運動軌跡變化后，在視界面中形成了有序分布的低熵態粒子系，無序轉變成有序過程，形成了視界面積增加的熵減少過程。因此，“整肅”過程中具備了重要的熵減少演化的基本信息。

圖1 粒子在 “整肅”過程的有序化分層

2.2 “撞擊輻射”過程

粒子在“整肅”過程中，不斷的運動，向黑洞視界面射入，即物質粒子因為黑洞的吸入，形成了射入的運動行徑，具備了動量而撞擊視界，并在視界周圍產生了熱輻射的狀態。此熱輻射激發過程，只是從引力場論角度來分析的，但是也為必然的過程，實際上是因為全部處于視界的粒子必須是相對視界而處于靜止狀態，換而言之就是，所有的質量為m的粒子，若它吸入處于視界后，它的質量都轉變成了m0（m0是粒子相對于視界的固有質量），于是質量差額Δm=m-m0將用于產生光量子輻射。但是需要進一步明確的是，在此過程中，形成的撞擊產生的能量是并不高的，撞擊的結果可能對粒子的核結構并不能造成相關的改變，據此，粒子在撞擊中是不會因為核結構變化而形成的輻射反應。與此同時，在Hawking的理論中，認為存在虛粒子并形成撞擊輻射，認為是一種非零溫度下的作用效應。而在粒子的“撞擊”過程中是不考慮此虛粒子的問題。因此，可以得出此過程中，必然引致熵的增加。

總之，黑洞中形成的過程中其一是“整肅”過程，作用為熵減少，而“撞擊輻射”過程作用為熵增加，據此，在星系內形成黑洞中，其熵的演化過程必定是這兩個過程熵的變化之和來決定其演化的方向。

[1]Bekenstein. Black Holes and Entropy[J].Physical Review，1973(7)：2333.

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[3]HAWKING S W. Particle Creation by Black Holes[J].Communication in Math Physics, 1973，43：199.

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