一种新的黑洞理论对似乎毫无意义的东西做出解释

黑洞（这一奇异的宇宙真空吸尘器，通常是当恒星体积坍缩到无限小，密度无限大时形成的）多年来一直是天文学家们所认识的最简单而同时又是最混乱的天体。说其简单，是为其性质仅是由质量、电荷及角动量这三个量决定的。说其混乱，是因其具有比宇宙中任何已知天体都高的熵（内在混乱的统计量）。

从七十年代初以来，科学家们对黑洞熵的物理意义一直感到迷惑不解，当时剑桥天体物理学家斯蒂芬 · 霍金（Stephen Hawking）确认：既然黑洞辐射出能量，它一定有温度。按照热力学原理，任一具有质量（因此也具有能量）和温度的物体都有一定可计量的熵。然而，对于一个没有任何内在结构的物体，物理学家们又如何谈得上内在混乱呢？

对于这个问题，有两位物理学家得出了一个较为合理的解答，这种解答也许大大有助于量子力学与引力统一理论的研究，该理论长期以来一直是物理学家们梦寐以求的。这两位物理学家的论文刊登在五月二十曰《物理学评论》刊物上。

加州技术学院的基普 · 桑恩（Kip Thovne）和洛斯阿拉莫斯实验室的沃杰克 · 苏列克（Wojciech Zurek）作出的解答是：黑洞的熵即是对黑洞有多少种可能形成方式的计量。

苏列克说：“可以把熵看作是我们对某一体系测不准程度的计量。对于一种气体，我们尚无法测定其构成粒子的精确位置。对于黑洞，在所有形成黑洞的可能方式中，我们无法确定究竟是哪一种的确形成了黑洞。因为，黑洞的巨大引力消除了能向物理学家们说明其最初物质存在形式的几乎所有物理迹象。某一黑洞也许仅来自一个单独的恒星，也可能是由吸收辐射物逐渐形成的。”

桑恩和苏列克提出了一种计算某一黑洞的可能形成方式的办法，这种计算是以虚粒子（virtual particales）的存在为依据的。霍金关于黑洞温度的证明也是依据这一现象。虚粒子是在宇宙真空中自然产生的成对的基本粒子，这些成对基本粒子的产生增加了宇宙的总能量。不同的是：这对粒子在它们产生后的极短时间内又相互毁灭，以致宇宙根本无法觉察到它们的存在，它们的能量在显示出来以前就消失了。

在空旷的真空中，这一点不会导致产生任何问题。但是，虚粒子经常出现于一个黑洞作用范围的边缘。在黑洞作用范围之内，所有物质和辐射都将被黑洞的巨大引力吸入。在某些情况下，一对虚粒子中的一个没有被黑洞吸入，并无目标地逃逸到宇宙中，但另一个却被吸入黑洞。这样一来，宇宙的净能量就增加了。为补偿这一点，黑洞必然损失相同的能量（霍金认为，所有黑洞都将因此最终消失掉）。

桑恩认为，在黑洞的作用外围，存在着一个由这些虚粒子组成的粒子云。他说：“在黑洞形成的每一可能过程中，过剩量子在粒子云中的分布方式都是独特的”。使用在热力学中通用的统计方法，他和苏列克已能计算出量子分布方式的总数，同时，也就得出了形成黑洞的可能方式的总数。

桑恩与苏列克的这项研究对黑洞熵的意义提出了上述引起广泛兴趣的解释。然而，这一解释对整个物理学界的影响却要深远得多，人们对黑洞的认识需要热力学理论，引力理论及量子场论等一系列不断完善的物理学理论武器，但这些理论之间的相互关系至今还没弄清楚。桑恩和苏列克发现，尽管黑洞周围粒子云中的虚粒子呈量子力学表现，仍然可以把其认为是与常态粒子云一样，遵循热力学定律。

这种数学上的联系有助于理论物理学家们弄清热力学、量子理论与引力之间的含混关系，同时也有助于他们对引力与量子论的统一理论的研究。

芝加哥大学物理学家罗伯特 · 沃尔德（Robert Wald）说：“如果我们有了量子引力理论，我们就能够从黑洞的量子力学形态上来理解黑洞的熵为什么只能是我们所确信的那种熵。”

（Science Digest，1985年第10期）