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黑洞简史：（四）黄金时代2：20世纪70年代的突破及黑洞热力学
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至20世纪60年代末，至少已经有相当一部分物理学家相信黑洞的存在，对黑洞的研究也深入了很多，研究者从几何和物理学角度澄清了黑洞的许多性质。不过，当时对黑洞的研究基本上是基于广义相对论的讨论，基本上不涉及物理学的其他方向，如热力学、量子场论等。另外，当时对黑洞的认识中，很重要也很突出的一个是：黑洞是一种只进不出的天体，任何东西都可以掉进去，但任何东西，包括光，都不可能跑出来。但是，很快，霍金等人的研究使学术界大大扩展了对黑洞的认识，并且，一些认识具有颠覆性特点。
在讲这段历史之前，想在这里先啰嗦一下霍金，在黑洞领域，他具有至关重要的地位。霍金无疑是当今物理学家中最具传奇色彩的一位，他和爱因斯坦一样广为人知。如果要选出有史以来公众最为熟知的物理学家，我相信爱因斯坦和霍金会登上榜单的前两名。霍金生于1942年1月8日，而300年前的这一天，伽利略与世长辞。在父亲的要求下，霍金早先在牛津大学获得学士学位，1962年，离开牛津大学前往剑桥大学。一开始，霍金希望申请到著名的天文学家及物理学家、恒稳态宇宙模型的创建者弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的门下，但谁知霍伊尔不喜欢霍金，拒绝了霍金的申请。所以霍金只好到了不太著名的物理学家丹尼斯·夏玛（Dennis William Sciama）门下，不过，一定程度上正是这个差错成就了霍金。
夏玛指导学生的方式属于那种典型的放鸭子式，任由学生自主发展，霍金极少得到夏玛的指导，整天无所事事，甚至跑到霍伊尔的学生那边找事干。他曾在霍伊尔的一个研究生那边，要到计算恒稳态宇宙模型的一个参数，并得到了无穷大的结果而让霍伊尔有点难堪。一定程度上可以说正是因为夏玛的不管不问，让霍金找到了自己的方向。霍金是夏玛最为出色的学生（他自己虽然不太有名，但出色的学生不少），正如夏玛自己曾说：我对物理学最大的贡献有两个，一个是把数学家彭罗斯拉过来研究物理，一个是培养了霍金这个学生。
霍金到达剑桥后不久，1963年便被诊断罹患了一种罕见的病：肌肉萎缩性侧索硬化症，或称之为运动神经病。这种病发展下去会使人的肌肉萎缩而失去功能，如果心肌萎缩了，其结果不言而喻。所以当时医生便判了霍金死刑，缓期两年执行。但坚强的霍金创造了奇迹，至今仍然健在，狠狠地嘲弄了医生。让霍金知名度如此之高的一个原因恐怕正来自于他的身体条件：在那样的身体条件下，依然做出如此的成就，的确令人敬佩。很多观点视霍金为自爱因斯坦后最为杰出的理论物理学家，但实际上，霍金还不足以享受此名望，霍金的研究领域主要在黑洞和宇宙学，主要在于广义相对论的应用，在基础理论方面，霍金的贡献并不多。
言归正传。1971年，霍金提出黑洞的面积定理，指出黑洞的表面积随着时间的发展只会增加不会减少。有心的读者可能已经会想到，黑洞的面积定理好像和热力学的熵增原理很像，正所谓英雄所见略同，1973年，惠勒（J. A. Wheeler）的研究生贝肯斯坦（J. D. Bekenstein）大胆推测黑洞的表面积可能是“熵”。这一猜测遭到霍金等人的反对，他们认为贝肯斯坦曲解了面积定理。如果黑洞有熵，那么从热力学角度来看也应该有温度，有温度就会有辐射，黑洞是任何东西都不可能逃出的天体，怎么可能有热辐射呢？霍金等人在1973年发表论文，否认黑洞有真正的热性质。但是，1974年霍金的态度来了个180°的大转弯，他不仅承认了黑洞的表面积是熵，黑洞有温度，而且用弯曲时空量子场论证明了黑洞有热辐射，此即著名的霍金辐射。
相应地，在霍金以及贝肯斯坦、James Bardeen、Carter 等人的努力下，逐渐弄清楚了黑洞的一些热力学性质，并在1973年，最终建立了黑洞热力学四定律。
黑洞热力学以及霍金辐射的发现揭开了黑洞研究的新篇章，将黑洞研究推向了一个高点，最终为这段研究的黄金时代画上了圆满的句号。
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参考资料：
http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole
http://en.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking
经过大量科学家多年的研究，终于得到下述思想：黑洞决不是一种永久的隐藏物质而毫无生气的物体。由于它具有质量、电荷，更重要的是它的角动量，黑洞是一个动力学系统，它能够受力和施力，能够吸收和提供能量，也就是随着时间变化的。
因为和热力学定律有意思的联系，黑洞动力学也称为黑洞热力学。热力学中的一个状态一般可以用两个参量来表征：温度和熵（熵是表示系统混乱程度的一个量，通俗的说，一间教室，里面有很多人，如果所有人都整体地坐在位子上，比较整齐，对应熵比较小的状态，如果是随意地坐着或站着，没有规律性，比较乱，对应熵比较大的状态），其他宏观量都作为温度和熵的函数而变化。同样黑洞的动力学状态也由两个参量表征，一个是黑洞的表面积，即对事件视界的量度；另一个是表面引力，即对事件视界上引力加速度的量度。由于黑洞的平衡态只依赖于质量、角动量和电荷三个参量，黑洞的面积和表面引力也就可以表示为这三个参量的函数。黑洞热力学也总结了四条定律，和热力学四定律对应，称其为黑洞动力学或黑洞热力学四定律。
第零定律：平衡态的黑洞事件视界面上所有点都有相同的表面引力。这对应于热力学的第零定律或热平衡定律：在热平衡状态下，系统各处都具有相同的温度。也就是说，对黑洞而言，无论黑洞的表面即事件视界是何种曲面，黑洞表面的引力总是处处一样的。这与其他有自转的天体，如我们的地球，中子星等，不同，因为趋向扁平，两极上的引力要比赤道面上的引力强。
第一定律：黑洞的质量、表面积、角动量、电荷等参量，其相互关系可以写成一个公式，这个公式与热力学第一定律具有相同的形式。
第二定律：实际上就是霍金的面积定律，即黑洞的表面积绝不会随着时间减小。对应于热力学第二定律：孤立系统的熵永不减少。
第三定律：黑洞的表面引力不可能为零。对应于热力学第三定律：绝对零度不可能通过任何有限的物理过程达到。
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参考资料：
《广义相对论与现代宇宙学》，南京师范大学出版社，须重明，吴雪君著。
http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_thermodynamics
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https://blog.sciencenet.cn/blog-576779-568739.html
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