物理学家首次在观测上证实了霍金的黑洞定理

导读：麻省理工学院和其他地方的物理学家利用引力波，首次在观测上证实了霍金的黑洞面积定理。

麻省理工学院和其他地方的物理学家利用引力波，首次在观测上证实了霍金的黑洞面积定理。有一些规则，即使是宇宙中最极端的天体也必须“遵守”。关于黑洞的一个中心定律预测，黑洞事件视界的面积（即任何东西都无法逃脱的边界）应该永不缩小。这一定律就是霍金面积定理，以物理学家斯蒂芬·霍金的名字命名，他在1971年得出了这一定理。

50年后，麻省理工学院和其他地方的物理学家现在利用对引力波的观测，首次证实了霍金的面积定理。他们的结果于周四发表在《物理评论快报》上。

在这项研究中，研究人员仔细观察了GW150914，这是激光干涉仪引力波观测站（LIGO）在2015年探测到的第一个引力波信号。该信号是两个黑洞的产物，产生了一个新的黑洞，同时还有大量的能量，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不应小于其母黑洞的视界总面积。在新研究中，物理学家们重新分析了GW150914在宇宙碰撞前后的信号，发现确实在合并后总的事件视界面积并没有减少--他们以95%的置信度报告了这一结果。

他们的发现标志着对霍金面积定理的首次直接观察确认，该定理已经在数学上得到证明，但直到现在还没有在自然界中观察到。该团队计划测试未来的引力波信号，看看它们是否可能进一步证实霍金定理或成为新的物理学的标志。

"有可能存在一个不同的紧凑天体的‘动物园’，虽然其中一些是遵循爱因斯坦和霍金定律的黑洞，但其他的可能是稍微不同的‘野兽’，"主要作者 Maximiliano Isi说，他是麻省理工学院卡夫利天体物理学和空间研究所的博士后研究员。“所以，这并不是说你做一次这个测试就结束了。你做这一次，它就是开始。”

这篇论文中的合著者还包括纽约州立大学石溪分校和Flatiron研究所计算天体物理学中心的 Will Farr、康奈尔大学的Matthew Giesler、加州理工学院的Mark Scheel，以及康奈尔大学的Saul Teukolsky 。

洞察力的时代

1971年，霍金提出了面积定理，引发了一系列关于黑洞力学的基本见解。该定理预测，黑洞事件视界的总面积--以及宇宙中的所有黑洞，都不应该减少。这一定律与热力学第二定律奇怪地相似，该定律指出，熵，或一个物体内的无序程度，也不应该减少。

这两个理论之间的相似性表明，黑洞可能表现为热的、散发热量的天体--这是一个令人困惑的命题，因为黑洞就其本质而言，被认为永远不会让能量逸出或辐射。霍金最终在1974年发表了有关这两个观点的研究，表明如果考虑到黑洞的量子效应，黑洞可以在很长的时间范围内具有熵和辐射。这一现象被称为 "霍金辐射"，至今仍是关于黑洞的最基本启示之一。

"这一切都始于霍金的认识，即黑洞的总视界面积永远不可能下降，" Isi说。"面积定律概括了70年代的一个黄金时代，所有这些见解都是在这里产生的。"

霍金和其他人已经证明面积定理在数学上是可行的，但在LIGO首次探测到引力波之前，一直没有办法对照自然界来检查它。

霍金在世时听到这一结果后，迅速联系了LIGO的联合创始人基普-索恩，他是加州理工学院的费曼理论物理学教授。他的问题是。这次探测能否证实面积定理？

当时，研究人员没有能力在信号中挑出合并前后的必要信息，以确定最终的视界面积是否像霍金定理假设的那样没有减少。直到几年后， Isi和他的同事开发了一种技术，测试面积法则才变得可行。

之前和之后

2019 年，Isi 和他的同事开发了一种技术来提取GW150914 峰值之后的“混响”——两个母黑洞碰撞形成新黑洞的那一刻。该团队使用该技术挑选出特定频率，或其他嘈杂后果的音调，他们可以用它们来计算最终黑洞的质量和自旋。

黑洞的质量和自旋与其事件视界面积直接相关，索恩回忆起霍金的疑问，向他们提出了后续问题：他们是否可以使用相同的技术来比较合并前后的信号，并确认面积定理？

研究人员接受了挑战，并在其峰值处再次分割了 GW150914 信号。他们开发了一个模型来分析峰值之前的信号，对应于两个令人振奋的黑洞，并在它们合并之前识别两个黑洞的质量和自旋。根据这些估计，他们计算了他们的总事件视界面积——估计大约等于 235000 平方公里，大约是马萨诸塞州面积的九倍。

然后他们使用之前的技术提取新形成的黑洞的“振铃”或“混响”，从中计算出它的质量和自旋，并最终计算出视界面积，他们发现相当于 367,000 平方公里。

“数据显示，合并后视面积增加了，而且面积定律满足的概率非常高，”Isi 说。“令人欣慰的是，我们的结果确实符合我们预期的范式，并且确实证实了我们对这些复杂的黑洞合并的理解。”

该团队计划使用来自意大利的 LIGO 和 Virgo 的数据，进一步测试霍金的面积定理和其他长期存在的黑洞力学理论。

“令人鼓舞的是，我们可以用新的、创造性的方式思考引力波数据，并提出我们以前认为无法解决的问题，”Isi说。“我们可以不断梳理出直接与我们认为我们理解的支柱相关的信息。总有一天，这些数据可能会揭示一些我们没有预料到的东西。”

这项研究部分得到了美国宇航局、西蒙斯基金会和国家科学基金会的支持。