证实！黑洞视界面积不减！了不起的霍金定理

斯蒂芬·霍金关于黑洞的著名定理得到证实

视界面积（熵）的增与减——广相与量子力学的对立统一

黑洞面积与宇宙中混乱度息息相关。

模拟显示俩黑洞（引力作用下）盘旋合并过程中所发射的引力波。

图片版权所有：C。Henze/NASA Ames Research Center

俩遥远黑洞合并引发的时空涟漪证明了斯蒂芬霍金（Stephen Hawking）的著名定理，即他在1971年自爱因斯坦广义相对论推导出的黑洞面积定理。该定理表明黑洞的表面积（视界面积）不随时间推移而减小。此法则激起物理学家广泛兴趣——它与另一个似乎设定了时光朝特定方向推进的规则密切相关：热力学第二定律。热力学第二定律指出封闭系统的熵（或是说，总混乱度）必定始终增加。又因为黑洞的熵与其表面积成正比，所以两者都必将一直增加。

根据这项新研究，研究人员对黑洞面积定理的证实似乎意味着黑洞的特性是探寻支配宇宙的隐藏底层铁律的重要线索。奇怪的是，面积定律似乎与“黑洞应该在极长的时间尺度内蒸发”这一已被著名物理学家证明的定理相矛盾。因此找出这两种理论之间矛盾的根源可以揭示崭新的物理学。

“恰似热力学第二定律，黑洞表面积不减。与此同时，黑洞还遵循质量守恒——因为无法减少它的质量，所以这也类似能量守恒，”该证实工作的一作，麻省理工学院的天体物理学家 马克西米利亚诺-伊西（Maximiliano Isi）告诉我们。“人们乍看到二者的共性（黑洞定理与热力学第二定理/能量守恒）会惊呼 '哇，两套理论串起来了，确实太奇妙太酷了’ 但我们很快意识到根本的内在逻辑。黑洞也有熵（用熵刻画），且熵与黑洞面积成正比。所以，这不只是一个有趣的巧合，它揭示出宇宙的深刻真理。

黑洞表面积由被称为事件视界的球形边界划定——视界内，任何东西，甚至是光，都无法逃脱其强大的引力。根据霍金对广义相对论的解释，由于黑洞表面积随质量增加而增加，并且抛入其内的任何物体都无法逃逸，所以黑洞表面积不会减小。但是黑洞的表面积也会随着旋转增多而缩小，所以研究者想知道是否有可能将一足够坚硬物体扔入黑洞来使黑洞旋转到足以减小面积的程度。

“你（扔物入黑洞）会让它旋转得更多，但不足以抵消又额外添加的质量，” 伊西谈到， “无论如何，总质量（增加）和旋转都将最终使黑洞得到更大的面积。”

为验证“黑洞面积定理”理论，研究人员分析了引力波，或是说时空结构中的涟漪，它们在13 亿年前由两个庞大黑洞在高速盘旋中形成。高新（高级先进）激光干涉引力波天文台 （LIGO） 在 2015 年探测到第一段波 —— 一束 1864 英里（3000 公里）长的激光束，能够通过其路径长度（光程？） （笔者不明白LIGO的工作原理，查了一点，说是 干涉臂距离变动？） 的改变来检测时空中哪怕最微小的扭曲。

将信号分成两方面来看——即，黑洞合并的前与后——研究人员计算出两原始黑洞和新组合黑洞的质量和自旋。这些数据反过来也使他们能够计算坍缩前后各个黑洞的表面积。

“随着俩黑洞相互旋转越来越快，引力波振幅也越来越大，直到它们最终碰撞融合——形成波的大爆发，”伊西说，“剩下的便是一个处于激发态，一个可以通过分析其振动方式来研究的新黑洞。（简单类比一下）比如说，你敲响铃铛，它响起的特定音高和持续时间会告诉你这个铃铛的结构与组分。”

新创建的黑洞的表面积比最初两黑洞的表面积之和还要大，这以超过95％的置信度证实了霍金的黑洞面积定理。据研究人员称，他们的结果与理论预期几乎完全一致。广义相对论——面积定理的理论基础——在描述黑洞和其他大物体方面非常有效。

然而，在研究者们试图统一广义相对论与量子力学（即分别适用于宏观大物体与适用于微观物体的规律）之时，真正的迷思出现。怪事也显现出来——（统一广相与量子力学）严重破坏了我们所有的固有硬性物理规律，也全然违反了面积定理。

这是因为根据广义相对论，黑洞不能收缩。但据量子力学黑洞收缩却可能存在。闻名到成为标志性人物的英国物理学家（霍金本人）在面积定理之后还提出了一个被称为霍金辐射的概念——通过奇异的量子效应，一团团粒子雾在黑洞边缘被辐射出。这种现象导致黑洞缩小，并最终会在比宇宙年龄长几倍的时间段内蒸发。这种蒸发可能仅发生在足够长的时间尺度上，不会在短期内违反面积定律，但这对物理学家来说已是个小小安慰。

“从统计上看，在很长一段时间内，xxx都被违反了，”伊西解释到， “这就像烧开水，锅里不停有水蒸汽被蒸发出来，但如果你限定只看锅里消失的水，你可能会说锅内总熵正在减少。但如果考虑到蒸汽，整体的熵却增加了。黑洞与霍金辐射也是如此。

随着中短时间范围框架下的面积定理的确立，研究者们下一步将去分析从更多引力波中获得的数据，以期从黑洞中获得更深见解。

“我对黑洞这些东西非常着迷，因为它们是那么相互矛盾。它们又是那样神秘并令人迷惑，但同时我们还知道它们是存在着的最简单的物体，”伊西感慨道， “加之，作为引力（广相）与量子力学的交点，黑洞成为我们理解现实宇宙的完美乐园。”

BY: Ben Turner

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：https://www.space.com/stephen-hawking-black-holes-theory-confirmed

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