正值《某科学的超电磁炮T》热播，在整理这期物理之美第5篇的想法的时候，突然想到，我也正好想要作一些“某系列中的现实物理学”，这一期预定的内容也刚好能作为这个科普，于是这一期就从超炮里的物理学开始，讲述这期“物理之美”科普预定的内容：黑洞热力学。（这个系列有没有后续还不知道呢（笑））

虚空爆炸【Graviton】是超电磁炮的第一个事件（动画里的第二个事件），犯人的能力是以铝为原材料，保持引力子数量不变，提高其运动速度，然后向周围炸开使其变成炸弹。

但是了解一些这方面物理的人就会看出这里有个很明显的漏洞：广义相对论里的引力波（其量子化也就是引力子）以光速前进，光速是物体运动的极限速度，怎么可能再加速！

河马的物理有错确实是常事（虽然这么说但是仔细一想也就一两个小地方），但是这不影响我们的二次创作可以修复物理上的漏洞，比如说我们在下面将要介绍的物理领域，可以给虚空爆炸提供一个物理学上的解释，并且还有一些副产物…比如，初春等人在Seventh Mist发生虚空爆炸时，如果初春在炸弹爆炸前拿起炸弹并发动能力的话，炸弹将不会爆炸！

初春的能力定温保存【Thermal Hand】和这个东西到底有啥关系，我们还是慢慢从衔接上一个part的黑洞开始说起。

1915年，爱因斯坦【Einstein】发表广义相对论，为在狭义相对论的基础上解释引力的一个理论。爱因斯坦将引力解释为时空弯曲，并提出爱因斯坦场方程，这一部分在part4有所介绍。大体上，就像在橡皮膜上放置物体一样，橡皮膜会下沉，引起周围时空的弯曲，从而使周围的小质量物体绕其旋转或是坠落。

爱因斯坦场方程是如此的难解，以至于第一个特殊情况的精确解是1916年由史瓦西【Schwarzschild】解出的史瓦西解。史瓦西解描述球对称星体外部的引力场，广义相对论的三大经典预言：光谱红移、光线弯折、水星近日点进动即是用史瓦西解可以得出的预言。

史瓦西解隐含有一个可能的情况：考虑如果一个星体的密度是如此之大，半径是如此之小，以至于其表面以光速行进的物体都无法逃脱——它就变成了黑洞。在黑洞的内部，就连星体本身都没有力量抵挡引力的坍缩，所有质量便都会集中到一个体积为零，密度无限大的奇点上。

乍一看，虚空爆炸的能力和这个很像：给物体以巨大的向内引力使其变成黑洞。如果这样制造出的确实是黑洞，那么，仅从广义相对论的角度，黑洞是一个只进不出的无底洞，它只会慢慢的吞噬周围的物体甚至最后可能将地球吞噬。但是，这并不是实际的情况。

目前的物理学有两大主要理论，上面所说的、处理引力的广义相对论描述宇宙尺度的现象，而小到光学显微镜都看不到的微小领域，那里是量子力学的世界。在量子的影响下，粒子被运动着的一团概率云所替代（某系列里的超能力开发的原理便是观测使概率波坍缩）。这“最小”与“最大”的两个理论，它们从基本假设开始就大相径庭，有着难以调和的矛盾。但是，有如黑洞一样的星体，亦或是大爆炸初期的宇宙，它们又微小，又含有强大的引力，必须要一个“量子引力论”才能很好的描述。目前有一些结合这两者的理论，诸如认为时空有十一维的超弦理论（白井黑子的空间移动【Teleportation】就是以这一理论为基础），认为时间与空间本身是离散网格状的圈量子引力论等，但是目前尚未有被实验所证实的理论。

1974年，霍金【Hawking】使用弯曲时空量子场论——一个仅仅将量子理论与时空弯曲结合的半成品理论——预言，黑洞不只是一个只进不出的无底洞，它也会发出辐射。

在量子场论中，真空并不是空的，有着不断出现并消失的虚粒子对。但是由于能量守恒定律的限制，这些真空泡沫并不能成为真实的现象，只能作为数学上的修正，对经过其中的粒子产生微弱的影响。

但是在黑洞边缘，也就是所谓的事件视界附近，情况就不一样了。那里的引力是如此的强大，时间与空间完全被扭曲，以至于落入黑洞的粒子，在外界看来可能有负数的能量。在黑洞边缘产生的一对虚粒子，其中一者沿着外界看来是负能量的轨道掉入黑洞，另一者则变成实粒子向外辐射出去，这样就不会破坏能量守恒，而且从外部看来，黑洞的能量减少了。这种辐射也被叫做霍金辐射【Hawking radiation】。

（p.s.完全无关的话题，知道东方Project里的雾雨魔理沙有一张通常被翻译成「黑洞边缘」的符卡，它的原本日文是Event Horizon——也就是直译应该是「事件视界」——吗？）

但是它又和初春的热力学有着什么样的关联呢？

物体不论温度高低，都会释放出热辐射，可以被所谓的黑体辐射谱描述。黑体辐射谱只与物体的温度有关，通常情况下，相当于人类体温的温度的黑体发射出的热辐射在红外线区域，疫情中可以远距离测量体温的测温枪的原理就是检测人体发射出的红外线。烧红的铁块和通常情况的火苗是红色的，也是因为那个温度的黑体辐射谱在红色可见光区域。而更高温度的火焰，比如家里的炉灶开到大火，中心的温度一般会更高，那个温度的黑体辐射谱在蓝色可见光区域，能看到蓝色的火焰。

弯曲时空量子场论的计算结果显示，黑洞的霍金辐射的能谱和黑体辐射的是一致的！

而且不仅仅是这样。稳恒状态的热力学第一定律中，有一项是物体吸收的热量等于温度乘以熵的变化量。对于稳态黑洞的一些研究显示，对于稳态黑洞的无限小变化也有类似的方程！其中，代替温度的是黑洞的表面引力，代替熵的是黑洞的事件视界表面积（两者都需要乘一个常数系数）。

这一系列研究表明，黑洞也和一个黑体一样会发射热辐射，也满足热力学定律，也有温度和熵的概念（关于熵的概念在下面会有介绍）。

但是黑洞和我们日常见到的物体还是有着很大的不同。一般的物体，在发射热辐射之后自身会变冷，吸收热辐射会变热，物体和外界的热交换会慢慢地达到平衡。黑洞在发射霍金辐射之后，温度却会上升。这意味着，高温的黑洞会变得更热，而比环境温度低的黑洞在吸收环境辐射之后却会变得更冷。如果能够形成一个微型黑洞，比如像虚空爆炸中的铝罐，它的温度会异常地高，可能达到几亿亿亿度，它会在很快的时间内蒸发殆尽，释放出极高能的伽马射线而爆炸。

初春饰利的能力是定温保存【Thermal Hand】，能够保持自己手中的物体的温度不变。所以，如果初春对即将爆炸的虚空爆炸炸弹发动能力，可以维持其温度不变，而让它不发生爆炸！（但是事实上只要她解除能力，炸弹还是会瞬间引爆，如果想安全解除还是需要另一些能力比如座标移动【Move Point】或者幻想杀手【Imagine Breaker】之类的…）

（这里还有一个小问题，如果是一个纯粹的微型黑洞，按理来讲其蒸发只会释放出高能的伽马射线以及一些中微子引力子等等，并不会造成超电磁炮里那样的爆炸效果。对于像虚空爆炸一样，由物体受引力坍缩而来的黑洞，可以想象在物体还没有完全被黑洞吸收之时爆炸就会发生，就像超新星的形成一样，正在向内坍缩的物质受到内层的伽马射线暴的冲击而炸开，产生包含大量碎片的强烈的爆炸也是有可能的。）

刚才只讲了黑洞热力学第一定律。热力学定律有四个，从第零一直到第三，可以看到，稳态黑洞有着完全相似的四条定律。先来表述一下第零和第三定律：

热力学第零定律：与一个系统处于热平衡状态（温度相等）的两个系统，互相也处于热平衡（温度也相等）。

热力学第三定律：不能通过有限步骤使物体达到绝对零度。

黑洞热力学第零定律：一个稳态黑洞的表面引力为常数。

黑洞热力学第三定律：不能将黑洞的表面引力降低至零。

黑洞的表面引力为什么可能是零呢？拿带电的球对称黑洞来说，它并不仅仅有一个事件视界，而是有内视界与外视界，在奇点之外，有两个球状的表面。就像高中数学，一个二次函数的两个零点一样，如果我们让两个零点重合，也就是内视界与外视界重合，可以算出，这时视界表面的引力为零。如果再进一步，让这个二次函数没有零点，那么将会导致没有视界包围的裸奇点的出现。裸奇点如果存在，会产生一些很奇怪的效应，实际上根据上面所说的第三定律，通常情况下不能制造出裸奇点。

热力学第二定律的表述是这样的：一个孤立系统的熵总是不会减少。一个等价的表述是热量不会自发的从低温流向高温。

熵描述的是系统的混乱程度，它可以由系统可能的状态数来计算，系统可能的状态越多，系统就越混乱无序，熵就越大。热力学第二定律描述的内容实际是，系统不会自发的从无序变为有序。

对应的黑洞热力学第二定律则是：稳态黑洞的事件视界表面积不会减少。（实际上，起初的这一定律并没有考虑到霍金辐射，发出霍金辐射本身就会使事件视界表面积减少。所以这一定律应该是：（由事件视界表面积计算出的）黑洞的熵与周围环境的熵总和不会减少。这是被计算所证实的，如文献（现查的）Don N Page, New Journal of Physics 7, 203 (2005)）

熵同样代表物体所包含的信息。1948年，香农【Shannon】在信息学领域提出了信息熵的概念，之后被发现信息熵和物理上的熵有着十分类似的关系。比如著名的麦克斯韦妖思想实验：一个盒子被分成两个部分，有一个小妖在中间控制开关，它会把运动的快的粒子分到右侧，而把运动的慢的粒子分到左侧。微观运动的快的粒子其温度就高，也就是说这个操作使得热量从低温流向了高温…热力学第二定律被破坏了！

但是实际上并不是这样的。读取粒子的速度是快还是慢实际上发生了信息交换——这个小妖从系统中抽走了信息，所以系统的熵才会减少！

热力学和信息学在这方面有着这么奇妙的关联，而我们知道，超能力为热学领域能力的初春饰利有着极强的情报处理能力以及学园都市第一的黑客能力…这背后有着什么不为人知的阴谋吗(

……好像物理部分没有什么需要结语的。虽然我很想把最一开始写的关于白矮星、中子星和黑洞的部分放进来，但是好像没地方放了。

关于某系列x现实物理学，推荐一本某系列的同人小说《事象的宏图》，作者是真白金刚石。它的女主是原创人物海原穹乃，是Level 5的引力使【Gravitation】，有着以广义相对论与圈量子引力论为基础使用的能力；男主则是她的哥哥，原作人物海原光贵，有着把应用性发挥到极致的Level 4念动力；穹乃的室友，星川未有，能力为希尔伯特空间投影效应【Hilbert Space Projection Effect】，是一种感知事件在希尔伯特空间中的投影来一定程度上预知未来的能力，也能够放大量子力学效应，或是偏转别人的超能力。文章在物理和故事的角度都很有趣，也包括了很多物理学家的趣事趣闻，推荐有兴趣的人去看一下（笑）

还有，笔者写过一个“某系列世界观里的论文”主题的……半篇论文，《RuR实验上AIM玻色子与夸克的一个新时轴束缚态的发现》（虽然就算是一年之后现在回去看也有很多现在觉得不太对劲的地方见谅orz），是在学园都市那个粒子加速器【Hula Loop】上进行的研究：https://shedarshian.github.io/blog/%E5%8A%A8%E7%94%BB/aim_boson.html。AIM扩散力场的量子化，Aim玻色子什么的，也能够成功的解释一些东西哦（笑）

最后……初春可爱！