一个世纪前，一群科学家用统计力学的方法研究了黑体辐射，从而发现了量子论。两片乌云中的一片由此掀起了一阵持续几十年的狂风暴雨，属于量子的狂欢时代到来了。而在50年前，又有一群物理学家用热力学方法研究黑洞，他们想开启一场量子引力的盛筵。我们熟知的斯蒂芬·霍金就是其中一员。

黑洞面积定律

1971年，霍金提出了黑洞面积定律（Hawking’s area theorem），这条定律后来被称为黑洞热力学第二定律——黑洞事件视界的面积不可能随着时间的推移而减少。这与由热力学第二定律导出的熵增原理非常相似，孤立系统自发进行的演化只能让系统的熵增加。后来，黑洞所包含的熵更是直接被证明与黑洞事件视界的面积，也就是黑洞表面积成正比。

然而仅仅三年后的1974年，霍金又提出了著名的霍金辐射。霍金辐射表明，黑洞并非只能一味地从宇宙中索取能量与物质，它也会因为事件视界上的量子涨落向外辐射能量。时间足够的话，霍金辐射甚至可能会导致黑洞蒸发直至消失，事件视界也会随之消失。霍金辐射的提出表明，黑洞面积定律在严格意义上是不成立的，这直接导致了广义热力学第二定律（generalized second law of thermodynamics）的产生。在这个定律中，黑洞外的熵和黑洞的熵会被统一考虑。

不过好在，对于大多数由恒星演化而来的黑洞而言，霍金辐射对黑洞造成的影响可以忽略不计。仅仅一个太阳质量的黑洞就需要1064年才能完全蒸发，这比宇宙的年龄大了54个量级，质量更大的黑洞则需要更长时间才能完全蒸发。所以，我们在研究验证这些理论时，可以直接以黑洞面积定律为准。

在远超当前宇宙年龄的时间尺度上，由恒星演化而来的黑洞是可以完全蒸发掉的（图片来源：pixabay）

霍金的夙愿

物理学是一门建立在实验上的学科，一个物理理论无论在数学上多么完备自洽、在形式上多么引人入胜，只要与实验结果相悖，就不能被称为正确的理论。单个黑洞不会产生能被探测到的面积改变，无法用于验证这一定律。但通过引力波检测两个黑洞合并，就有希望对这一定律进行直接的检验。