科學家解讀黑洞熱力學：一段從彭羅斯到霍金的歷史

1969年，英國物理學家羅杰-彭羅斯（Roger Penrose）發(fā)現(xiàn)了一個屬性，該屬性后來在熱力學和相隔甚遠的黑洞力學之間建立了聯(lián)系。通過發(fā)表在EPJ H上的新分析，巴西圣保羅大學的科學家卡拉·羅德里格斯·阿爾梅達（Carla Rodrigues Almeida）對彭羅斯的動機和方法進行了新的解讀，并探討了他們對斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）輻射這一開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的歷史影響。

在20世紀50年代之前，許多物理學家都不愿意接受黑洞是物理物體的觀點，這與公認的熱力學定律是一致的。在接下來的20年里，這種情況完全改變了。1969年，彭羅斯首次展示了如何從旋轉(zhuǎn)的黑洞中提取能量。他的理論取決于一個新設(shè)想的區(qū)域，名為“能層”。

雖然能層位于黑洞的邊界之外，但它里面的時空與黑洞一起旋轉(zhuǎn)，就像行星大氣中的氣體一樣。如果一個物質(zhì)進入該區(qū)域，彭羅斯提出，它可能會分裂成兩部分：其中一部分可以落入黑洞；而另一部分可以逃逸，同時攜帶比原始粒子更多的能量。

在接下來的幾年里，蘇聯(lián)物理學家亞科夫·澤爾多維奇(Yakov Zel\"dovich)通過量子力學的視角探討了彭羅斯的發(fā)現(xiàn)。雖然他的工作受到政治環(huán)境的阻礙，但澤爾多維奇與西方物理學家建立了友好的合作關(guān)系。最終，通過這些關(guān)系產(chǎn)生的理論幫助霍金發(fā)現(xiàn)了新的量子效應(yīng)，該量子效應(yīng)可以使黑洞輻射損失質(zhì)量。最后，物理學界確信，黑洞確實能夠遵守熱力學定律。

在她的研究中，阿爾梅達在這個歷史背景下調(diào)查了彭羅斯的提議。通過重溫原始論文，分析技術(shù)細節(jié)，以及探索西方和蘇聯(lián)物理學家之間的關(guān)系，她揭開了他們所隱藏的歷史。文章的推理鏈為：彭羅斯的提議、熱力學和黑洞物理學之間的類比、最終到霍金輻射的提出。

該研究論文題為"The thermodynamics of black holes: from Penrose process to Hawking radiation"，已發(fā)表在《歐洲物理學報H》期刊上。

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參考資料：https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjh%2Fs13129-021-00022-9

標簽： 科學家 解讀 黑洞 熱力學