視界面積（熵）的增與減——廣相與量子力學的對立統一
黑洞面積與宇宙中混亂度息息相關。
模擬顯示倆黑洞（引力作用下）盤旋合並過程中所發射的引力波。
圖片版權所有：C. Henze/NASA Ames Research Center
倆遙遠黑洞合並引發的時空漣漪證明了斯蒂芬霍金（Stephen Hawking）的著名定理，即他在1971年自愛因斯坦廣義相對論推導出的黑洞面積定理。該定理表明黑洞的表面積（視界面積）不隨時間推移而減小。此法則激起物理學家廣泛興趣——它與另一個似乎設定了時光朝特定方向推進的規則密切相關：熱力學第二定律。熱力學第二定律指出封閉系統的熵（或是說，總混亂度）必定始終增加。又因爲黑洞的熵與其表面積成正比，所以兩者都必將一直增加。
根據這項新研究，研究人員對黑洞面積定理的證實似乎意味著黑洞的特性是探尋支配宇宙的隱藏底層鐵律的重要線索。奇怪的是，面積定律似乎與“黑洞應該在極長的時間尺度內蒸發”這一已被著名物理學家證明的定理相矛盾。因此找出這兩種理論之間矛盾的根源可以揭示嶄新的物理學。
“恰似熱力學第二定律，黑洞表面積不減。與此同時，黑洞還遵循質量守恒——因爲無法減少它的質量，所以這也類似能量守恒，”該證實工作的一作，麻省理工學院的天體物理學家 馬克西米利亞諾-伊西（Maximiliano Isi）告訴我們。“人們乍看到二者的共性（黑洞定理與熱力學第二定理/能量守恒）會驚呼 ‘哇，兩套理論串起來了，確實太奇妙太酷了’ 但我們很快意識到根本的內在邏輯。黑洞也有熵（用熵刻畫），且熵與黑洞面積成正比。所以，這不只是一個有趣的巧合，它揭示出宇宙的深刻真理。
黑洞表面積由被稱爲事件視界的球形邊界劃定——視界內，任何東西，甚至是光，都無法逃脫其強大的引力。根據霍金對廣義相對論的解釋，由于黑洞表面積隨質量增加而增加，並且抛入其內的任何物體都無法逃逸，所以黑洞表面積不會減小。但是黑洞的表面積也會隨著旋轉增多而縮小，所以研究者想知道是否有可能將一足夠堅硬物體扔入黑洞來使黑洞旋轉到足以減小面積的程度。
“你（扔物入黑洞）會讓它旋轉得更多，但不足以抵消又額外添加的質量，” 伊西談到， “無論如何，總質量（增加）和旋轉都將最終使黑洞得到更大的面積。”
爲驗證“黑洞面積定理”理論，研究人員分析了引力波，或是說時空結構中的漣漪，它們在13 億年前由兩個龐大黑洞在高速盤旋中形成。高新（高級先進）激光幹涉引力波天文台 (LIGO) 在 2015 年探測到第一段波 —— 一束 1864 英裏（3000 公裏）長的激光束，能夠通過其路徑長度（光程？） （筆者不明白LIGO的工作原理，查了一點，說是 幹涉臂距離變動？ ） 的改變來檢測時空中哪怕最微小的扭曲。
將信號分成兩方面來看——即，黑洞合並的前與後——研究人員計算出兩原始黑洞和新組合黑洞的質量和自旋。這些數據反過來也使他們能夠計算坍縮前後各個黑洞的表面積。
“隨著倆黑洞相互旋轉越來越快，引力波振幅也越來越大，直到它們最終碰撞融合——形成波的大爆發，”伊西說，“剩下的便是一個處于激發態，一個可以通過分析其振動方式來研究的新黑洞。（簡單類比一下）比如說，你敲響鈴铛，它響起的特定音高和持續時間會告訴你這個鈴铛的結構與組分。”
新創建的黑洞的表面積比最初兩黑洞的表面積之和還要大，這以超過95%的置信度證實了霍金的黑洞面積定理。據研究人員稱，他們的結果與理論預期幾乎完全一致。廣義相對論——面積定理的理論基礎——在描述黑洞和其他大物體方面非常有效。
然而，在研究者們試圖統一廣義相對論與量子力學（即分別適用于宏觀大物體與適用于微觀物體的規律）之時，真正的迷思出現。怪事也顯現出來——（統一廣相與量子力學）嚴重破壞了我們所有的固有硬性物理規律，也全然違反了面積定理。
這是因爲根據廣義相對論，黑洞不能收縮。但據量子力學黑洞收縮卻可能存在。聞名到成爲標志性人物的英國物理學家（霍金本人）在面積定理之後還提出了一個被稱爲霍金輻射的概念——通過奇異的量子效應，一團團粒子霧在黑洞邊緣被輻射出。這種現象導致黑洞縮小，並最終會在比宇宙年齡長幾倍的時間段內蒸發。這種蒸發可能僅發生在足夠長的時間尺度上，不會在短期內違反面積定律，但這對物理學家來說已是個小小安慰。
“從統計上看，在很長一段時間內，xxx都被違反了，”伊西解釋到， “這就像燒開水，鍋裏不停有水蒸汽被蒸發出來，但如果你限定只看鍋裏消失的水，你可能會說鍋內總熵正在減少。但如果考慮到蒸汽，整體的熵卻增加了。黑洞與霍金輻射也是如此。
隨著中短時間範圍框架下的面積定理的確立，研究者們下一步將去分析從更多引力波中獲得的數據，以期從黑洞中獲得更深見解。
“我對黑洞這些東西非常著迷，因爲它們是那麽相互矛盾。它們又是那樣神秘並令人迷惑，但同時我們還知道它們是存在著的最簡單的物體，”伊西感慨道， “加之，作爲引力（廣相）與量子力學的交點，黑洞成爲我們理解現實宇宙的完美樂園。”
BY: Ben Turner
FY: 崔姐的小粉絲
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