霍金与面积不减定律

黑洞在吞噬物体时“吃”得非常彻底，它把物体原先的所有细节性状都吞掉了，只保留质量、电荷和角动量三个性质。从信息论的角度看，物体在被黑洞吞噬之后，丧失了大量信息，或者说它的熵有很大增加。“熵增加”使人想起了著名的热力学第二定律，而在黑洞的物理学中也有一个“面积不减定律”。它说的是，当两个黑洞相撞而合二为一时，合成的黑洞的视界表面积一定不小于原来两个黑洞的视界表面积之和。反过来，一个黑洞能不能一分为二，变成两个黑洞呢？按“面积不减定律”，这是办不到的，因为黑洞的变化只能朝视界表面积增加的方向进行，不会朝视界表面积减少的方向进行。这个定律很有点类似于热力学第二定律。后者指出，一切自发的热力学过程只能朝熵增加的方向进行，不会朝熵减少的方向进行。提出这个“面积不减定律”的是英国著名的理论物理学家斯蒂芬·霍金。有人认为霍金是当今世界上继爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家。

霍金是研究黑洞的权威，他的研究揭示了黑洞种种超乎寻常的特征。也许，他最大的贡献在于发现黑洞不那么绝对的“黑”，即黑洞会向四周进行热辐射。这是怎么回事？不是说黑洞能吞噬一切物质和辐射吗，怎么它本身还在进行热辐射？这一现象的发现，得归功于霍金把引力理论与量子力学结合起来考虑。经典物理认为，黑洞只能吸收，不能有发射，因而是“漆黑一团”；量子力学里有一种“隧道效应”，它允许极少量的辐射从强大的黑洞的引力陷阱中“逃”出来。当然，这种热辐射所对应的温度只有一点儿，相当于绝对温度6×10-8K。不过，这么一丁点儿“蒸发”会将黑洞的质量一点一点地带走。随着质量变小，黑洞的引力减弱，于是，逃出去的辐射增多，最后，黑洞就被“蒸发”掉了。对于相当于1倍太阳质量的常规黑洞来讲，这个过程要进行1066年，可见黑洞的蒸发效应对它的影响来讲是微乎其微的。然而，对那些小黑洞来讲，这种量子蒸发效应的影响就显著了。就一个1015克的小黑洞来说，它被“蒸发”掉的时间只有100多亿年，而上述那个常规黑洞被“蒸发”掉的时间却长达100亿亿亿亿亿亿亿亿年，后者是前者的1亿亿亿亿亿亿亿倍（7个亿相乘）。小黑洞会因向周围“蒸发”而最后“自杀”身亡这件事告诉我们，黑洞也并非是天体演化的终结，被吸进黑洞的物质有可能被重新发射出来（当然它们被重新发射出来时，已经变得“面目全非”了）。这表明，在极小（小于10-33厘米）的空间尺度上，广义相对论必须代之以“量子化的引力理论”。以霍金为代表的科学家正在创造这样一种崭新的理论，一旦获得成功，将是人类认识自然界的又一次重大飞跃！