霍金的黑洞定理首次在观测上得到证实

北京时间 7 月 5 日消息，有一些规则，即便是宇宙中最极端的物体也必须遵守。有关黑洞的一个中心定律预测，黑洞的事件视界（任何物体都无法逃离的边界）面积永远不会缩小。这就是以物理学家斯蒂芬・霍金命名的霍金面积定理，于 1971 年由霍金推导得出。

五十年后，一项最新研究利用引力波得出证据，表明黑洞事件视界的总面积永远不会减少。麻省理工学院和其他地方的物理学家利用对引力波的观测，首次证实了霍金提出的面积定理。他们的研究结果于 2021 年 7 月 1 日发表于《物理评论快报》上。

在这项研究中，研究人员仔细观察了 GW150914，这是激光干涉引力波天文台（LIGO）在 2015 年探测到的第一个引力波信号。GW150914 是两个内旋黑洞的产物，这两个黑洞合并产生一个新的黑洞，并释放大量能量。这些能量以引力波的形式在时空中荡漾。

如果霍金的面积定理成立，那么新黑洞的事件视界面积应该不会小于其两个母黑洞的事件视界总面积。在新的研究中，物理学家重新分析了两个黑洞碰撞之前和之后，来自 GW150914 的信号。他们发现，合并之后，事件视界的总面积确实没有减少 —— 他们以 95% 的置信度发表了这一结果。

计算机模拟展现了两个黑洞的碰撞，这次碰撞释放出 GW150914 引力波信号。

他们的发现标志着对霍金面积定理的首次直接观测证实。在此之前，霍金的面积定理只在数学上得到证实，但未曾在自然界中观测到。该研究团队计划测试未来的引力波信号，以期进一步证实霍金的定理，或证明这是一个新的违反物理定律的标志。

麻省理工学院卡夫利天体物理学和空间研究所的 NASA 爱因斯坦博士后研究员、该研究的主要作者马西米利亚诺・伊西说：“可能存在一个不同致密物体组成的‘动物园’，虽然其中有一些黑洞遵循爱因斯坦和霍金的定律，但其他可能是稍有不同的‘野兽’。所以，这不是说做一次这样的检测就大功告成了。这一次检测，只是开端。”

伊西这篇论文的合著者还包括石溪大学兼 Flatiron Institute 计算天体物理学中心的威尔・法尔、康奈尔大学的马修・吉斯勒、加州理工学院的马克・谢尔和康奈尔大学与加州理工学院的索尔・塔克尔斯基。

洞察力的时代

1971 年，斯蒂芬・霍金提出面积定理，催生一系列关于黑洞力学的基本见解。面积定理预测，黑洞事件视界的总面积 —— 以及宇宙中所有的黑洞 —— 永远不会减少。这一说法与热力学第二定律出奇地相似，因为热力学第二定律指出，熵，或物体内部的无序程度也永远不会减少。

两个定理之间的相似性表明，黑洞或可表现为热的、散发热量的物体 —— 这是一个令人困惑的主张，因为就黑洞的本质而言，人们认为黑洞永远不会让能量逃逸或辐射。霍金最终在 1974 年解释了这两个观点，提出如果考虑到黑洞的量子效应，黑洞可能在极长的时间尺度上具有熵并释放辐射。这一现象被称为“霍金辐射”，并且依然是关于黑洞的最基础启示之一。

伊西说：“这一切都始于霍金的认识，即黑洞的总事件视界面积永远不会减少。该面积定理概况了七十年代的一个黄金时代，所有这些见解都来自于这个时期。”

霍金和其他人已经证明面积定理在数学上是成立的，但是在 LIGO 首次探测到引力波之前，人们还没有办法通过自然观测来证实这条定理。

当时，霍金听到 LIGO 探测到引力波这个消息后，立即联系了 LIGO 的联合创始人，也就是加州理工学院理论费曼物理学教授基普・索恩。霍金提出了自己的问题：LIGO 的探测结果是否可以证实面积定理？

只是那时候，研究人员尚没有能力从黑洞合并前后的引力波信号中挑选出必要的信息，来确定最终的事件视界面积是不是像霍金的面积定理推测的那样，并没有减少。几年之后，伊西和他的同事们开发了一项技术，才使得检测面积定理成为可能。

之前和之后

2019 年，伊西和他的同事们开发了一项技术，可以提取 GW150914 峰值瞬间之后的混响。这一瞬间即两个母黑洞合并形成新黑洞的那一瞬间。研究团队随后使用该技术挑选出特定频率，或其他嘈杂后果的音调，他们可以用挑选出来的频率计算出最终黑洞的质量和自旋。

一个黑洞的质量和自旋直接与其事件视界的面积相关。索恩回忆起霍金的提问，又向研究团队提出了一个后续问题：他们是否可以使用相同的技术来比较黑洞合并前后的信心，并证实面积定理？

研究人员接受了挑战，并在峰值处再次分割 GW150914 信号。他们开发了一个模型去分析峰值之前的信号，对应两个内旋的黑洞，并确认它们在合并之前的各自质量和自旋。根据这些估计，他们计算出两个黑洞的事件视界总面积，大约为 235000 平方公里，相当于马萨诸塞州面积的 9 倍。

然后，他们使用之前的技术来提取新形成黑洞的“结束铃响”或混响，据此计算出新黑洞的质量和自旋，最后计算出事件视界的面积。它们发现，新黑洞的事件视界面积大约为 367000 平方公里，相当于马萨诸塞州面积的 13 倍。

伊西说：“数据显示，合并后的事件视界面积毫无疑问增加了，而且满足面积定理的概率十分之高。这非常令人欣慰，我们的结果于我们预期的范式一致，并且确实证实了我们对这些复杂黑洞合并的理解。”

该团队计划未来进一步使用来自 LIGO 和 Virgo（位于意大利比萨附近的探测引力波的干涉仪）的数据，检测霍金的面积定理和其他长期存在的黑洞力学理论。

伊西说：“鼓舞人心的是，我们可以用新的、创造性的方式思考引力波数据，并解答我们之前认为无法解答的问题。我们可以不断梳理出直接与我们认为理解的支柱理论相关的信息。总有一天，这些数据或许可以揭示一些我们不曾预期的东西。”

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