奇点和黑洞

我们将在下面第6.1节更详细地返回霍克灵辐射，但目前我们注意到这一切都引起了关于理论间关系的深刻问题，即哲学家尚未掌握：虽然似乎是不可否认的，但纯粹的意思是什么意思引力系统也是“热力学对象”？[13]如何翻译一个理论的概念和关系，以便在彻底不同的背景下适用？ （有关物理学的科学团结和科学统一的条目。）

虽然今天仍然是正统的物理群体，但对于纯粹的古典黑洞没有一致的热力学理论（乌鲁木和沃尔德1982;沃尔德1999,2001），即，当没有考虑量子效应时，主要是因为似乎它们必须被分配绝对零的温度，如果有的话。 据相反，CURIEL（2017A，其他互联网资源）认为，将纯粹的古典黑洞作为真正的热力学系统，它们应该被分配与其表面重力成比例的温度，而且事实上不做因此，如果没有这样的黑洞，则导致相同的不一致性不一致。

Dougherty和Callender（2019）挑战正统的方向。 他们认为，我们应该更加持怀疑态度，即黑洞的法律不仅仅是一个正式的类比，而且事实上，有强烈的理由认为他们没有在物理上延伸到新领域的热力学规律。 他们的主要论点是，黑洞的Zeroth法律不能做到Zeroth法律在古典热力学中的标准制定的工作。 在经典的热力学中，Zeroth法的标准制剂是平衡的转运：每个均衡的两个体均匀均匀。 他们指出，这种平衡的这种传递性下潜的许多最重要的结构和结构中的许多最重要的结构和结构，这些结构和结构在平衡中单个系统的温度（表面重力）的常用性不足以足够了。 然而，CURIEL（2018年，其他互联网资源）提出了加强的黑洞Zeroth法的版本，基于它们之间的均衡的传递，以试图解决这一挑战。 但它遭受了几个问题，最重要的是，它依赖于在没有明确定义的一般相对性中“近似对称性”的概念。 这是一个积极争议的领域。

华莱士（2018年，2019年）为黑洞真正是热力学物体的索赔提供了更全面的阐述和捍卫，攻击几个不同方向的问题，并为Dougherty和Callender提供的几个其他参数提供了特定的rejoinders（2019）。

5.3。 什么是黑洞熵？

最初是合理的和最有希望的方式来解释黑洞措施的熵和为什么一个黑洞首先具有这样的属性，是指向其发射的霍克辐射，特别是辐射具有良好的定义温度。 实际上，看到这样的“解释”并不罕见，不仅在流行的账户中，而且甚至在严肃的研究论文中。 然而，有许多技术和概念性原因，为什么这样的解释不可行（visser 1998b，2003），在霍金辐射是严格运动的效果的口号中总结，而黑洞熵是一种动态现象。 （这个事实在下面第7节中更详细地讨论。）那么，什么是我们归因于黑洞的熵的起源和性质？

在古典热力学中，系统拥有熵通常归因于实际上，我们从未能够提供“完整”描述（Jaynes 1967）。 在描述气体云时，我们没有指定其中每个分子的位置和速度的值; 我们宁愿使用诸如压力和温度的量来描述它，作为统计测量的统计测量，更精细的粒度，例如单个分子的动量和能量。 在一个共同的结构上，那么，气体的熵衡量不完整性，因为它的描述是粗略的描述。 （请参阅统计力学哲学的进入。）在尝试认真地认为黑洞具有真实物理熵的想法，因此自然地试图为其构建这种统计来源。 古典一般相对论的工具不能提供这种结构，因为它允许将黑洞描述为一个系统，其物理属性因底层统计学措施而产生的，更精细的粒度。 甚至弯曲时空上的量子场理论的工具也不能提供它，因为它们仍然将黑洞视为完全根据时空的经典几何形状定义的实体（Wald 1994）。 因此，任何此类统计会计都必须来自古典几何形状本身的理论，该理论基于底层的描述，也许是微米的离散集合，本身描述了“实体”的细粒度动态，大概是大量的，底层的黑洞的古典空间描述。 请注意，旨在“计算黑洞微稳态”的程序不需要接受熵àLaJaynes的主观诠释。 在任何情况下，在任何观点的熵的性质上，都会出现一个密切相关的问题，即将“黑洞熵位于活动范围内：在活动视界内部？ 见Jacobson等。 （2005）在三个着名物理学家中有一个周到的对话，有不同的看法。

解释这些MicroState的熵由Bekenstein熵计数是一项挑战，这是量子重力研究人员热切追求的挑战。 在1996年，超人的理论家能够讲述非扰动弦理论如何产生一定类别的古典黑洞的微米的数量，并且该数字匹配由Bekenstein熵给出的（Strominger和VAFA 1996）。 最近，哲学家（De Haro等人2020）对字符串理论的黑洞熵的推导进行了概念分析，阐明了所取决于其所取决的假设和理论关系，以及在衍生中所做的理想化。 在一个单独的论文中（van dongen等人。2020）他们评估了黑洞是否应该被认为是非扰动弦理论体系的紧急，并且讨论了量子与古典对应原理在弦理论黑洞背景下的作用。 在与弦理论中的同时，使用环路量子重力的黑洞状态计数也恢复了Bekenstein熵（Rovelli 1996）。 这是哲学上的值得注意的是，这被视为对这些计划的重大成功（即，它被呈现为思考这些方案在正确的轨道上的原因），即使在黑洞附近没有量子效应，那么大得多，已经进行了实验观察过。 （可悲的是，我们在陆地实验室没有黑洞，我们确实有充分的理由认为我们间接观察到这些效果的任何东西都太远了，因为它们的微量温度是如此。）也是所有已知的情况String理论中的衍生仅适用于一类非常特殊的黑洞（“极值”和“近极值”），每个人都同意是不经理的。 对于更一般的，物理相关的黑洞没有令人信服的推导。

尽管如此，Bekenstein熵通过计数“microstate”的衍生熵已经成为量子重力节目的正弦值，即使仅用于极值黑洞的特殊情况：如果一个人不能从第一个这样的东西一个人的计划原则，没有人会认真对待他们。 这是值得注意的，因为它为科学方法的传统账户构成了Prima面部问题，并且强调了今天基本物理学所面临的困难，在许多重要领域，它根本无法与经验数据接触。 通过以新颖的方式组合看似不相容的理论来源的理论上预测的现象是如何实现的，以便将其伸展到可预见的未来无法测试的制度，成为测试在理论上的新颖思想中最重要的创意物理学？ 它可以发挥这个角色吗？ 哲学家尚未开始认真努力与这些问题严重努力。

在一个深思熟虑的调查中，索文（2005）简明扼要地表现为十个论文，似乎是黑洞熵性质的热门观点，当学习为基本量子现象时，它被蒸馏出来，以便我们的目的跟随。 熵：

源自仅与事件地平线的几何形状相关联的自由度，而不是黑洞内外的物质或时空几何形状的自由度;

是有限的，因为时尚的基本结构是离散的;

是“客观”，因为基于地平线本身具有杰出几何形状的事实，存在一个显着的粗磨;

并且遵守第二种热力学定律，因为黑洞外部的物品的有效动态不会遵守标准量子演化的规则。

这些论文简明扼要地捕获了普通热力学熵的根本不同的黑洞熵。 首先，从黑洞力学的第二律法中已经明显，强调了黑洞熵与系统的表面积成比例的事实，而不是普通热力学系统的散装体积。 第二个阐述了统计数据所引发的潜在实体引起熵的潜在实体是当代物理学中最基本的结构的组成部分，即天性空间本身，而不是高级别的衍生实体原子是我们最深刻的物质理论，量子场理论不是基础。 第三个强调的是，与普通物质统计机制中没有“自然”微观自由度的“自然”微观自由度的方式相反，这里有一个独特的自然，与事件的几何形状密切相关Horizo n是独一无二的，帕克克克斯规模提供了许多人的思想单位的衡量标准（尽管从未完全清楚的感觉上）。 第四个指出黑洞热力学的第二律，一般而言，包括来自黑洞和普通物质的贡献（如下文第5.4节中所讨论的），这不是一个非凡的衍生的经验概括，就是普通物质的第二律 相反，它直接从最基本的动态原理，量子演化与一般相对性的基本几何形状结合。 （这将在下面的第6.2节中进一步讨论。）这是一个典型的，经典制度中的黑洞第二法是纯差分几何形状的定理（第5.1节）。

在迄今为止，熵熵是真正的热力学熵，那么，这些差异很大程度上表明，熵延伸到黑洞的熵不仅应该根据物理量而彻底改变和丰富我们的理解，但是温度和热量，也是如此也许类似于将这些古典数量扩展到电磁场的延伸到19世纪末（Curiel 2017a，其他互联网资源）。 这提高了关于在不同理论中制定的物理量和物理原则之间的传统哲学问题的立即提出了关于的传统哲学问题，特别是出现，减少，物理概念的参照稳定性的特殊问题，以及他们可能对理论的不可掩盖性。 一个人无法要求更加小便的案例研究，也许是这些传统辩论。 （有关科学团结，科学减少和物理学间关系的条目。）

Dougherty和Callender（2019年）在这里挑战正统，也是通过争论黑洞面积并不像古典熵的方式强烈建议，我们应该对待它的许多方式。 CURIEL（2017B，其他互联网资源）试图使用完全相同的想法反驳，即任何已知的物理量延伸到新制度的延伸将不可避免地导致概念本身的修改，并在它可能进入其他物理量的关系中的修改。 因此，我们应该期望黑洞熵不会像普通熵一样行事，并且正是那些可能会产生对旧谜题的物理和哲学洞察的差异。

5.4。 热力学的广义第二律

在含有黑洞的热力学系统的背景下，如果彼此独立地适用这些法律，可以容易地构建普通的热力学定律和黑洞的法律。 因此，例如，如果黑洞通过霍金效应发出辐射，那么它将失去大规模违反黑洞力学的经典第二律法。 同样，正如Bekenstein所说的那样，我们可以通过用高熵倾倒到一个黑洞中的物质侵犯了热力学的普通第二律法：因为那么黑洞的外部，因子熵地减少了熵。 然而，将物质放入黑洞的价格是其事件范围将增加大小。 同样，通过释放叫卖辐射的允许事件范围缩小的价格是外部物质领域的熵将增加。 这表明我们应该制定两项法律的组合，这些法律规定了黑洞区域和外部系统的熵永远不会减少的总和。 这是热力学的推广第二律（Bekenstein 1972,1973,1974）。

二十世纪普通热力学的第二宗法律在二十世纪辩论物理学哲学基础的辩论中，特别是在物理学哲学中的几乎所有重要话题中，以及众多重要的主题科学哲学一般，包括：热力学与统计力学之间的关系; 量子力学的测量问题，以及量子信息理论的地位与含义; 各种时间箭头的定义和它们之间的关系; 宇宙学中所谓的过去假设; 确定性; 因果关系; 预测与造版; 基于理想化和近似的推理性质; 出现和减少; 和理论确认的问题。

那个黑洞和其他纯粹的引力和几何系统具有熵自然地导致了一种想法，即热力学的第二律应该被修改，以便适应这种事实。 这是一个几乎完全未开发的问题，这种广义的第二法本身可能需要修改对第二种法律的传统问题，并且可能导致对他们的新见解。 因此，通过物理群落的广义第二法的剥离及其广泛的接受提出了许多有趣的谜题和问题。

在本节的剩余部分中，我们将审查一般性二级法律提出的问题，即对这些谜题和问题的疑惑，即：与古典热力学的案例相反，普遍存在的第二法不仅承认证据，而且还有多种证据（部分5.4.1）; 已经提出了几种不同的物理合理的机制，似乎在相对良性条件下违反了全面的第二法律（第5.4.2节）; 普遍的第二法似乎允许制定和证明任何物理系统都能拥有的熵数量的普遍界定的可能性，以及称为“全息内容”的思想的相关星座（第5.4.3节）; 与古典热力学的第二律法相反，普遍的第二法似乎意味着对自己的权利（第5.4.4节第5.4.4节第5.4.4节）的新颖和深刻的命题。

5.4.1。 令人眼花缭乱的各种证据

在底部，普通的第二种热力学定律是基于观察普通材料系统的行为的经验泛化，尽管具有确认，从而更加深刻，但在所有物理学中的任何其他单一原则可能更加深刻。 相比之下，广义第二法的最具意义的特征之一是，它似乎在数学上更加严格地承认普通的第二律（例如，例如，Flanagan等，2000的证明，在古典一般的情况下。相关性和物质理论）。 这已经提高了有趣的哲学问题，了解似乎Prima所面临的关系与制定，评估和解释在不同的物理理论中的“相同”的基本原则。

至少与身体和哲学角度一样有趣，是一般性的第二法实际上承认了各种不同的验证方式（墙2009）。 其中一些方式比其他方式更加严谨，一些更加普遍和直观的，一些更一般的，几乎所有制度都比其他制度相应的有效性，使用不同类型的物理系统，不同的近似和理想化，以及不同的物理和数学起点。 例如，在古典，流体动力学，半透明和全量子重力制度中给出了“证据”。 目前，在半透明的重力中最通用和广泛接受的普遍接受的第二律证明是由墙（2012），其用于快速改变量子田和任意地平线切片。

虽然所有这些证据的结果都被同名的名称调用 - 普遍的第二律 - 他们似乎是不同的物理原则，只是因为他们各自证据的假设和内容的极致差异。 这只是一些众多问题的样本，问题必须采取一项待机，以制定一般性的第二法律和试图证明它的版本。

除了活动视野（例如，所谓的明显视野）之外，黑洞有不同的物理上显着的视野 - 应该是一个属性熵的地平线？

对于统计证据，应该使用GIBBS或Boltzmann熵吗？

黑洞熵的物理支撑应该是一种使用（量子缠结熵，时空等）的量子“原子”）？

应该承担熵绑定吗？ （见下面的第5.4.3节。）

如果近似或表示用于模拟所选地平线的区域承认量子波动，应该使用平均面积，或其他一些按摩方式按摩它，使其具有定义明确的经典区域？

应该使用“准静止”的定义？

应该使用“绝热”的定义？

令人耳目敬的各种各样的报价证明，可以粗略地分类这些（以及其他相关的）问题，从而提示问题：每个证明的所有不同原则之间的关系是什么？ 它们是否表示相同的物理原则，因为它在不同的制度中表现出来，并且从不同的角度看，就像从不同的角度看？ 再次，答案给出这个问题的答案将敏感地依赖于一个人对理论间关系的看法。 实际上，因为这些问题的不同答案可能导致“证明”，分别是矛盾的假设，一个人可能很担心导出的原则，如果在所有情况下都是一样的，就会成为一个是一个张力学！

甚至抛开不同派生中使用的矛盾假设，一个人应该在任何情况下都要注意，通过使用基于同性恋的事物来试图通过使用关系来证明证明的多态性，因为它不会在任何类似标准表格中的植信。 （参见科学发现的条目。）这不是一种基于不同类型的物理系统之间不同类型的相互作用的研究的给定现象来得出相同方程或关系或数量的情况的情况，如不同类型的物理系统的研究，如普里林的经典案例计算Avogadro的号码。 这是一个案例，其中包括不同类别的物理系统和它们之间的相互作用，以及在非常不同的物理和数学框架中进行的计算和参数，它们之间没有明确的关系。

5.4.2。 可能的违规行为

当Bekenstein首先提出一个黑洞应该拥有熵，并且它应该与其面积成比例，出现难以克服的困难立即出现。 在1970年在普林斯顿给出的一个员工中，Geroch提出了一种机制，似乎表明，如果可以将温度归因于黑洞，它应该是绝对的零; 机制工作的立即后果表明，否则似乎允许任意大规模违反被称为普遍的第二法的侵犯。[14] 远离一个黑洞，准备一个基本上无麻的盒子充满活力辐射，高熵; 然后，辐射的质量将被黑洞的重力吸引。 人们可以使用这种重量来驱动发动机以产生能量（例如，从升高的升级产生摩擦），同时慢慢降低朝向黑洞的事件范围的盒子。 该过程从盒子里的辐射中提取能量但不熵。 然后可以在盒子到达活动范围内时，可以安排辐射的所有质量能量。 如果一个人打开盒子让辐射落入黑洞，事件地平线的尺寸不会增加（因为黑洞的质量能量不增加），但是黑洞外部的热力学熵已经降低。 因此，我们似乎违反了广义的第二法。 尝试拆除问题的许多方法已经在文献中进行了在文献中，从熵界（下面在第5.4.3节中讨论）到归因于由于其加速度产生的辐射浸入而降低的物体的有效浮力因对象而降低沃尔德1982），所谓的横近效应的结果（对于其中的帐户，见注释16）。 他们都没有完全令人满意。

关于我们是否应该违反全面的第二法律的问题的问题，涉及物理基础的几个问题。 普通的第二法律的地位本身就是棘手的哲学拼图，除了黑洞问题之外。 许多物理学家和哲学家否认普通的第二律普遍存在，所以人们可能会质疑我们是否应该坚持在黑洞存在下的有效性。 另一方面，第二法明显捕获了我们世界的一些重要特征，黑洞和热力学之间的类比似乎太富有而不会争取。 实际上，普遍的第二法是唯一已知的物理法，将一般相对论，量子力学和热力学的领域联合起来。 因此，目前似乎是我们进入物理世界最基本的结构的最有前景的窗口（有关其讨论，请参阅下面的第6.3节）。

5.4.3。 熵界和全息原则

为了回应GEROCH拟议进程的普遍违反普遍的第二法，BEKENSTEI假设限制，以便在适当的时空区域中包含多少熵，以避免这种看似违规，所以熵的黑洞，其地平线将包含该地区。 目前物理学没有这种限制，所以Bekenstein（1981）假设限制将由量子重力的潜在理论强制执行，希望，黑洞热力学提供我们最佳的最新洞察力。 此外，还有一个有关的理由，即人们可能认为黑洞热力学意味着可以包含在给定的时空区域中的熵量的基本上界。 假设在空间的某个区域中比Bekenstein熵相同大小的黑洞。 然后人们可以崩溃，将熵物质倒入黑洞中，这显然不能大于原始区域的尺寸（或者物质已经折叠形成黑洞）。 但这将违反普遍的第二法，对于由此产生的黑洞的Bekenstein熵将小于形成它的问题。 因此，广义的第二律本身似乎暗示了一个区域可以包含多少熵的基本限制（Bekenstein 1983; Bousso 1999a，2006）。 如果这是对的，它似乎深入了解世界的基本结构，特别是它应该为量子重力理论的性质提供重要的线索。