黑洞總視介面積達36.7萬平方公里，首次觀測證實：霍金面積定理！

即使是宇宙中最極端的物體也必須遵守某些規則，一條關於

黑洞

的中心定律預測：黑洞事件視界（任何東西包括光都無法逃脫的邊界）的面積永遠不會縮小。這個定律就是

霍金

面積定理，以1971年推匯出該定理的物理學家斯蒂芬·霍金的名字命名。50年後的今天，麻省理工學院和其他地方的物理學家利用對

引力波

的觀測，首次證實了霍金的面積定理，其研究研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。

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在這項研究中，研究人員仔細觀察了GW150914，這是鐳射干涉儀引力波天文臺（LIGO）在2015年探測到的第一個引力波訊號。這一訊號是兩個黑洞的產物，它們碰撞合併產生了一個新的黑洞，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，那麼新黑洞的視介面積不應小於其母黑洞的視界總面積。在這項新的研究中，物理學家們重新分析了碰撞前後GW150914的訊號，發現確實合併後總視介面積並沒有減少（研究報告結果的置信度為95%）。

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其研究發現標誌著對霍金面積定理的首次直接觀測證實，該定理已經在數學上得到了證明，但到目前為止從未在自然界中觀察到過。研究團隊計劃測試未來的引力波訊號，看看它們是否可能進一步證實霍金定理，或者成為新的繞開定律的物理學標誌。該研究的主要作者、麻省理工學院卡夫利天體物理與空間研究所的愛因斯坦博士後研究員馬克西米利亞諾·伊西（Maximiliano ISI）說：

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有可能存在一個由不同的緻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束了，這只是開始。其研究的的合著者是石溪大學和熨斗研究所計算天體物理中心的威爾·法爾，康奈爾大學的馬修·吉斯勒，加州理工大學的馬克·舍爾，以及康奈爾大學和加州理工大學的索爾·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，引發了人們對黑洞力學的一系列基本見解。該定理預言，黑洞視界的總面積不會減小。這一定律與熱力學第二定律奇怪地相似，該定律指出，熵，或物體內的無序程度，也永遠不應該減少。這兩種理論之間的相似之處表明，黑洞可以表現為熱的、放熱的物體——這是一個令人困惑的命題，因為黑洞的本質被認為永遠不會讓能量外洩或輻射。

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霍金最終在1974年發表了這兩個想法的研究，表明如果考慮到黑洞的量子效應，黑洞可能會有熵，並在很長的時間尺度上發射輻射。這一現象被稱為“霍金輻射”，至今仍是對黑洞最基本的揭示之一。這一切都始於霍金意識到黑洞的總視介面積不會減少，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生的。霍金和其

科學家

早已證明，面積定理在數學上是可行的，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。

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得知這一結果後，霍金在世時迅速聯絡了LIGO聯合創始人、加州理工大學費曼理論物理學教授基普·索恩（Kip Thorne），霍金的問題是：探測能證實面積定理嗎？當時，研究人員沒有能力在合併前後的訊號中挑選出必要資訊，以確定最終的面積是否沒有像霍金定理假設的那樣。直到幾年後，研究人員開發了一項技術，才變得可行。這種技術可以在GW150914的峰值之後立即提取“混響”（這是兩個母黑洞碰撞形成新黑洞的時刻）。

黑洞合併前後的視介面積

研究小組使用這項技術來挑選出特定的頻率，或其他嘈雜的餘波訊號，從而可以用來計算最終黑洞的質量和自轉。黑洞的質量和自轉與其活動視界的面積直接相關，索恩回憶起霍金的質疑，提出了一個後續問題：是否可以使用相同的技術來比較合併前後的訊號，並證實面積定理？研究人員接受了這一挑戰，並在GW150914訊號達到峰值時再次將其分開。並開發了一個模型來分析峰值之前的訊號，對應於這兩個合併的黑洞，在它們合併之前識別這兩個黑洞的質量和自轉。

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根據這些估計，計算出

合併前黑洞總視介面積大約等於23.5萬平方公里

（大約是馬薩諸塞州面積的9倍）。然後用之前技術提取了這個新形成的黑洞迴響，由此計算了黑洞的質量和自轉，並最終計算出

合併後黑洞視界總面積相當於36.7萬平方公里

（大約是海灣州面積的13倍）。資料以壓倒性的信心表明，合併後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，其結果確實符合研究人員的預期，也確實證實了我們對這些複雜黑洞合併的理解。

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該團隊計劃利用LIGO和義大利的室女座（Virgo）的資料，進一步測試霍金的面積定理和其他長期存在的黑洞力學理論。令人振奮的是，研究人員能夠以新的、創造性的方式思考引力波資料，並得出我們以前認為無法解決的問題。可以不斷梳理出那些直接與我們認為我們理解的相關資訊，總有一天，這些資料可能會揭示一些我們意想不到的東西！

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博科園｜研究/來自：麻省理工學院

發表期刊《物理評論快報》《arXiv》

Cite: arXiv:2012.04486

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