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黑洞是矛盾的產物。它們看起來是那麼簡潔，卻保守著宇宙間最難解的奧秘。

黑洞的合併示意圖。C。 Henze / NASA

兩個黑洞合併成一個，新黑洞的表面積是比原來兩個黑洞的表面積加起來大還是小？

有人說當然是大了。但是這個問題看似簡單，卻可能隱含著一個大秘密。

近日一批科學家透過分析引力波資料，證明了在一次發生於13億光年外的黑洞合併事件中，合併後產生的黑洞表面積要比合並前兩個黑洞表面積之和要大。

這些科學家所做的，其實是證明霍金提出的一個著名定理——黑洞表面積定理。

在這個定理裡霍金斷言，黑洞的表面積只會隨時間的推移而增加。

這一定理與熱力學第二定律有著驚人的相似性。熱力學第二定律認為，封閉系統中的熵只會增加不會減少。

黑洞的表面積由其視界的半徑決定。我們不知道黑洞裡面的具體情況，但是基於廣義相對論，沒有東西能夠逃出黑洞，黑洞的質量只會增加不會減少。那麼由於黑洞的熵和黑洞表面積成正比，越來越大的熵只會導致越來越大的黑洞表面積，這在邏輯上是成立的。

但是黑洞的自轉速度會影響其表面積。黑洞轉速越快，表面積相對就越小，因此科學家不能確定，是否存在一種方法，可以從外部給黑洞以質量，使其轉速加快，進而使其表面積變小。

而這一次科學家發現，這種方法行不通。因為即使黑洞的轉速會因為得到質量而變快，其縮小的表面積，也無法超過黑洞因獲得質量而增加的表面積。

研究結果表明，研究人員對引力波資料的分析結果，符合理論的預測結果。霍金黑洞表面積定理的可信度在95%以上。與此同時，霍金研究的基礎——愛因斯坦的廣義相對論，對黑洞等大尺度天體擁有非常強的解釋力。

但是棘手的問題在於，廣義相對論和量子力學依舊無法統一。在對黑洞的詮釋方面，廣義相對論認為它們的表面積只增不減；而量子力學認為，黑洞是會蒸發的，它們會消失。

同樣是霍金，基於量子力學提出，黑洞會產生一種神秘的輻射。透過這種輻射黑洞會逐漸失去質量並縮小，並最終消失。

這種輻射就是人們常說的霍金輻射。霍金認為，黑洞視界附近存在一種詭異的量子效應，能夠產生一種神秘粒子，把黑洞的質量一點一點地帶走。

該如何面對這兩個自相矛盾的霍金呢？

或許我們可以把這種矛盾視為同一種現象在不同尺度上的表現。

鑑於廣義相對論和量子力學的研究領域尺度不一樣，一個是宏觀宇宙，一個是微觀世界。在宏觀尺度和中短期內，黑洞的表面積只增不減；而在微觀尺度和極端漫長的時間尺度上，黑洞在蒸發和縮小。

但是如果我們能夠找到這個矛盾的根源，就能夠真正挖掘出許多新的物理學奧秘。不過想做到這一點，可能並不容易。

黑洞是矛盾的產物。它們看起來是那麼簡潔，卻保守著宇宙間最難解的奧秘。

參考

Famous Stephen Hawking theory about black holes confirmed

https：//www。livescience。com/hawking-theory-confirmed。html

Testing the black-hole area law with GW150914

https：//journals。aps。org/prl/accepted/36074Y8aM291c462a4e264336d883136eb53c122b