科學(xué)家解讀黑洞熱力學(xué)：一段從彭羅斯到霍金的歷史

1969年，英國物理學(xué)家羅杰-彭羅斯（Roger Penrose）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)屬性，該屬性后來在熱力學(xué)和相隔甚遠(yuǎn)的黑洞力學(xué)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(xué)的科學(xué)家卡拉·羅德里格斯·阿爾梅達(dá)（Carla Rodrigues Almeida）對(duì)彭羅斯的動(dòng)機(jī)和方法進(jìn)行了新的解讀，并探討了他們對(duì)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(jì)50年代之前，許多物理學(xué)家都不愿意接受黑洞是物理物體的觀點(diǎn)，這與公認(rèn)的熱力學(xué)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(gè)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(shí)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(gè)物質(zhì)進(jìn)入該區(qū)域，彭羅斯提出，它可能會(huì)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(shí)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(xué)家亞科夫·澤爾多維奇(Yakov Zel\"dovich)通過量子力學(xué)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(xué)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(xué)界確信，黑洞確實(shí)能夠遵守?zé)崃W(xué)定律。

在她的研究中，阿爾梅達(dá)在這個(gè)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(xì)節(jié)，以及探索西方和蘇聯(lián)物理學(xué)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(xué)和黑洞物理學(xué)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(xué)報(bào)H》期刊上。

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

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