即使是宇宙中最極端的物體也必須遵守某些規(guī)則，一條關(guān)于黑洞的中心定律預(yù)測：黑洞事件視界（任何東西包括光都無法逃脫的邊界）的面積永遠(yuǎn)不會縮小。這個定律就是霍金面積定理，以1971年推導(dǎo)出該定理的物理學(xué)家斯蒂芬·霍金的名字命名。50年后的今天，麻省理工學(xué)院和其他地方的物理學(xué)家利用對引力波的觀測，首次證實了霍金的面積定理，其研究研究成果發(fā)表在《物理評論快報》期刊上。

在這項研究中，研究人員仔細(xì)觀察了GW150914，這是激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)在2015年探測到的第一個引力波信號。這一信號是兩個黑洞的產(chǎn)物，它們碰撞合并產(chǎn)生了一個新的黑洞，以及作為引力波在時空中波動的巨大能量。如果霍金面積定理成立，那么新黑洞的視界面積不應(yīng)小于其母黑洞的視界總面積。在這項新的研究中，物理學(xué)家們重新分析了碰撞前后GW150914的信號，發(fā)現(xiàn)確實合并后總視界面積并沒有減少（研究報告結(jié)果的置信度為95%）。

其研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著對霍金面積定理的首次直接觀測證實，該定理已經(jīng)在數(shù)學(xué)上得到了證明，但到目前為止從未在自然界中觀察到過。研究團(tuán)隊計劃測試未來的引力波信號，看看它們是否可能進(jìn)一步證實霍金定理，或者成為新的繞開定律的物理學(xué)標(biāo)志。該研究的主要作者、麻省理工學(xué)院卡夫利天體物理與空間研究所的愛因斯坦博士后研究員馬克西米利亞諾·伊西(Maximiliano ISI)說：

有可能存在一個由不同的致密物體組成的動物園，其中一些是遵循愛因斯坦和霍金定律的黑洞，而另一些可能是略微不同的野獸。所以，這不是說做了一次測試就結(jié)束了，這只是開始。其研究的的合著者是石溪大學(xué)和熨斗研究所計算天體物理中心的威爾·法爾，康奈爾大學(xué)的馬修·吉斯勒，加州理工大學(xué)的馬克·舍爾，以及康奈爾大學(xué)和加州理工大學(xué)的索爾·特科爾斯基。

洞察黑洞的黃金時代1971年斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出了面積定理，引發(fā)了人們對黑洞力學(xué)的一系列基本見解。該定理預(yù)言，黑洞視界的總面積不會減小。這一定律與熱力學(xué)第二定律奇怪地相似，該定律指出，熵，或物體內(nèi)的無序程度，也永遠(yuǎn)不應(yīng)該減少。這兩種理論之間的相似之處表明，黑洞可以表現(xiàn)為熱的、放熱的物體——這是一個令人困惑的命題，因為黑洞的本質(zhì)被認(rèn)為永遠(yuǎn)不會讓能量外泄或輻射。

霍金最終在1974年發(fā)表了這兩個想法的研究，表明如果考慮到黑洞的量子效應(yīng)，黑洞可能會有熵，并在很長的時間尺度上發(fā)射輻射。這一現(xiàn)象被稱為“霍金輻射”，至今仍是對黑洞最基本的揭示之一。這一切都始于霍金意識到黑洞的總視界面積不會減少，這些定律概括了70年代的黃金時代，所有這些洞察都是在這個時代產(chǎn)生的?；艚鸷推淇茖W(xué)家早已證明，面積定理在數(shù)學(xué)上是可行的，但在LIGO首次探測到引力波之前，一直沒有辦法將其與自然相對照。

得知這一結(jié)果后，霍金在世時迅速聯(lián)系了LIGO聯(lián)合創(chuàng)始人、加州理工大學(xué)費(fèi)曼理論物理學(xué)教授基普·索恩(Kip Thorne)，霍金的問題是：探測能證實面積定理嗎？當(dāng)時，研究人員沒有能力在合并前后的信號中挑選出必要信息，以確定最終的面積是否沒有像霍金定理假設(shè)的那樣。直到幾年后，研究人員開發(fā)了一項技術(shù)，才變得可行。這種技術(shù)可以在GW150914的峰值之后立即提取“混響”（這是兩個母黑洞碰撞形成新黑洞的時刻）。

黑洞合并前后的視界面積研究小組使用這項技術(shù)來挑選出特定的頻率，或其他嘈雜的余波信號，從而可以用來計算最終黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)。黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)與其活動視界的面積直接相關(guān)，索恩回憶起霍金的質(zhì)疑，提出了一個后續(xù)問題：是否可以使用相同的技術(shù)來比較合并前后的信號，并證實面積定理？研究人員接受了這一挑戰(zhàn)，并在GW150914信號達(dá)到峰值時再次將其分開。并開發(fā)了一個模型來分析峰值之前的信號，對應(yīng)于這兩個合并的黑洞，在它們合并之前識別這兩個黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)。

根據(jù)這些估計，計算出合并前黑洞總視界面積大約等于23.5萬平方公里（大約是馬薩諸塞州面積的9倍）。然后用之前技術(shù)提取了這個新形成的黑洞回響，由此計算了黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)，并最終計算出合并后黑洞視界總面積相當(dāng)于36.7萬平方公里（大約是海灣州面積的13倍）。數(shù)據(jù)以壓倒性的信心表明，合并后地黑洞視界總面積增加了，面積法非常有可能得到滿足。令人欣慰的是，其結(jié)果確實符合研究人員的預(yù)期，也確實證實了我們對這些復(fù)雜黑洞合并的理解。

該團(tuán)隊計劃利用LIGO和意大利的室女座(Virgo)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步測試霍金的面積定理和其他長期存在的黑洞力學(xué)理論。令人振奮的是，研究人員能夠以新的、創(chuàng)造性的方式思考引力波數(shù)據(jù)，并得出我們以前認(rèn)為無法解決的問題?？梢圆粩嗍崂沓瞿切┲苯优c我們認(rèn)為我們理解的相關(guān)信息，總有一天，這些數(shù)據(jù)可能會揭示一些我們意想不到的東西！

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

發(fā)表期刊《物理評論快報》《arXiv》

Cite: arXiv:2012.04486

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