贝肯斯坦上限

✍ dations ◷ 2025-09-09 17:08:25 #黑洞,热力学,量子资讯

在物理学中,贝肯斯坦上限(英语:Bekenstein bound)是在一有限能量之有限空间内熵 S {\displaystyle S} 或信息 I {\displaystyle I} 的上限。反过来说,该上限是要精确描述一物理系统至量子层级的最大需要信息量。这表示若要精确描述一个占有有限空间之有限能量物理系统,只需要有限的信息量。

贝肯斯坦从涉及黑洞的启发式观点导出此上限式。如果存在系统违反此不等式,也就是有太多的熵,则贝肯斯坦认为这将违反热力学第二定律。1995年,泰德·雅各布森(英语:Ted Jacobson)证明了爱因斯坦场方程可以借由假设贝肯斯坦上限和热力学定律的真实性而导出。然而,虽然一些理论已经表明某种形式的上限必须存在,以使热力学和广义相对论相互一致,但该上限的确切表述一直是人们争论的一个问题。

此上限的普遍形式由雅各布·贝肯斯坦首次提出,以不等式表示之。以熵表示之该不等式为:

其中 S {\displaystyle S} 是熵、 k {\displaystyle k} 是玻尔兹曼常数、 R {\displaystyle R} 是包围整个系统的球壳半径、 E {\displaystyle E} 是包含任何静止质量的总质能、 {\displaystyle \hbar } 是约化普朗克常量、 c {\displaystyle c} 则是真空中的光速。然而,虽然重力在此效应中扮演着很重要的角色,但该不等式中并未出现万有引力常数 G {\displaystyle G}

若以二进制信息表示之,则该不等式为:

其中 I {\displaystyle I} 是信息含量,以比特数表示球壳中所含有的量子态。而式中ln2项则来自定义信息量为量子状态数目的自然对数值。若使用质能等价定理,该信息上限式可表示为:

其中 m {\displaystyle m} 是系统质量,以公斤表示,而半径 R {\displaystyle R} 则以米作为其单位。

1972年,史蒂芬·霍金证明了黑洞视界的表面积永不会减少,两个黑洞合并后的黑洞面积不会小于原先两个黑洞面积之和。与此同时,雅各布·贝肯斯坦运用此理论提出了黑洞熵的概念。为了符合热力学第二定律,黑洞必须拥有熵。如果黑洞没有熵,则可以借由将物质丢入黑洞中来违反热力学第二定律。黑洞熵的增加必须超过被吞入物质所减少的熵。贝肯斯坦认为,黑洞的表面积与它的熵含量成正比,从而使其不违反热力学第二定律。贝肯斯坦在他的论文中指出:

贝肯斯坦认为,黑洞表面积与其熵含量的正比系数接近 1 2 ln 2 4 π {\displaystyle {\frac {{\frac {1}{2}}\cdot \ln {2}}{4\pi }}} 。1974年,霍金提出了霍金辐射,并运用能量、温度与熵之间的热力学关系证实了贝肯斯坦的猜想,同时修正其正比系数为 1 4 {\displaystyle {\frac {1}{4}}}

其中 A {\displaystyle A} 是黑洞视界的表面积,利用 4 π R 2 {\displaystyle 4\pi R^{2}} 求得。 k {\displaystyle k} 是玻尔兹曼常数, P = G / c 3 {\displaystyle \ell _{\mathrm {P} }={\sqrt {G\hbar /c^{3}}}} 则是普朗克长度。此公式经常被称为“贝肯斯坦-霍金方程”(Bekenstein–Hawking formula),其中下标BH可指黑洞(black hole)或贝肯斯坦-霍金(Bekenstein-Hawking)的首字母缩写。使用贝肯斯坦上限求得之最大熵含量正好等于由此方程求得之黑洞熵,此结果促成了全息原理的发展。

相关

  • pH值pH,亦称pH值、氢离子浓度指数、酸碱值、(音ㄌㄧㄥˊ)标值,是溶液中氢离子活度的一种标度,也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。这个概念是1909年由丹麦生物化学家瑟伦·索伦
  • 草津温泉草津温泉(日语:草津温泉/くさつおんせん),位于日本群马县吾妻郡草津町的温泉名胜地。其起源已有千年之久。草津温泉的pH值在1.7至2.1,是强酸性硫黄泉,具有医疗功效。林罗山的日本三
  • ClOsubix/sub氯和氧之间可以形成很多种化合物:此外,氯与氧还能形成多种阴离子:
  • Léri-Weill软骨骨生成障碍综合症Léri-Weill软骨骨生成障碍综合征(英语:Léri-Weill dyschondrosteosis,LWD),是一种罕见的基因疾病,肇因于性染色体上拟常染色体区的“SHOX(英语:SHOX)基因”突变。此病将造成患者身
  • 繁殖体繁殖体是指任何可以用于植物繁殖目的的植物材料。在无性生殖中,繁殖体可以是木质、半硬木或软木的切段、叶片,或任何其他的植物部位。在有性生殖中,繁殖体则是种子。在微繁殖此
  • 水龟虫参数所指定的目标页面不存在,建议更正成存在页面或直接建立下列一个页面(建立前请先搜寻是否有合适的存在页面可以取代):见内文水龟虫(学名:),又名牙虫,是水龟虫科下的一属水生甲虫,终
  • 包贾尼·拉约什包贾尼·拉约什,内梅图伊瓦尔伯爵(Count Lajos Batthyány de Németújvár,1806年2月14日-1849年10月6日) 匈牙利政治家,1848年匈牙利革命期间首届代议制政府首相,为马扎尔人独
  • 李西屏李西屏(1888年-1960年),湖北黄冈人,中华人民共和国政治人物。担任湖北省商业厅副厅长,湖北省政协副主席。1954年,当选第一届全国人民代表大会代表。
  • 大卫·比契克大卫·比契克(捷克语:David Bičík;1981年4月6日-)是一位捷克足球运动员。在场上的位置是守门员。他现在效力于捷克足球甲级联赛球队布拉格斯巴达足球俱乐部。他也代表捷克国家
  • 自称F级的哥哥似乎要称霸以游戏分级的学园?本传小说中文版第一册封面《自称F级的哥哥似乎要称霸以游戏分级的学园?》(日语:自称Fランクのお兄さまがゲームで評価される学園の頂点に君臨するそうですよ?)是由三河ごーすと