50年後，霍金的預言終於被證實，黑洞的表面積真的不會減少

2015年9月14日，是天文學歷史上一個重要的日子。這一天，天文學家們取得了一項重要的發現，這個發現驗證了愛因斯坦在一百年前提出的預言，那就是

引力波

。其名稱為GW150914。

令人驚喜的是，這次發現不僅僅驗證了愛因斯坦百年前的預言，甚至在最近，還驗證了另一位著名物理學家在50年前的預言，那就是

霍金

的面積定理。

一次發現，驗證了兩個科學家的預言，厲害了。

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所謂的面積定理，是霍金在整整50年前，也就是1971年時提出的理論。它描述的，是

黑洞

的

事件視界

。黑洞的引力，取決於它的質量。質量越大的黑洞，就能夠吞噬更遠的物質，甚至是光線。對於一個黑洞來說，所有途經某些區域的光都會被吞噬的範圍，就是黑洞的事件視界。

面積定理指出：

一個黑洞的事件視界的表面積只能增加，而不會減小

。這個理論並不是很難理解，因為事件視界的半徑與黑洞質量是相關的，黑洞的質量會透過吞噬而不斷增加，事件視界自然也就會越來越大。

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這個定理，聽起來有點類似於熱力學第二定律。後者可以表述為：描述一個系統混亂程度的物理量——熵在自發條件下只會增加，而不會減少。也就是說，在沒有外界能量輸入的情況下，一個封閉系統內只會越來越混亂。實際上，對於黑洞來說，也的確有熵的概念，而且也是與事件視界的表面積成正比的。

從數學的角度來分析，這樣的理論也算是順理成章了。但是，對於天文學家來說，想要透過實際的觀測來證明，難度就非常大了。黑洞的事件視界隱藏在宇宙空間中，不會釋放出任何的光，這讓我們根本無法直接探測。

引力波的出現，解決了這個難題。

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1916年，在提出廣義相對論的第二年，愛因斯坦預言了引力波的存在。直到整整100年後的2016年，科學家們宣佈了在2015年9月14日正式觀測到了宇宙中的引力波GW150914，驗證了愛因斯坦的預言。

根據愛因斯坦的理論，大質量天體會拖曳周圍的空間。當兩個大質量天體碰撞時，就會掀起時空的漣漪，跨越幾十甚至一百億光年的距離，被我們觀測到。

這樣的觀測的確可行，但難度非常巨大，所以在預言被提出的一百年後，科學家才透過現金的引力波探測實驗鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）以及室女座干涉儀（Virgo），在人類 歷史上首次捕獲了來自於兩個黑洞碰撞所產生的引力波。對於“漆黑”的黑洞來說，引力波是探測並瞭解它們的最有效手段。

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GW150914的發現對人類來說，具有里程碑式的意義，打開了探測黑洞以及其他緻密星的新大門。而它帶給我們的驚喜，還不止如此。

2019年的時候，麻省理工學院卡夫裡天體物理學和空間研究所的天體物理學家Maximiliano Isi和他的同事們對引力波的分析方法進行了研究。經過堅持不懈的努力，他們終於找到了一種分析手段，能夠透過引力波計算出黑洞的質量和自轉等屬性。

從原始的兩個黑洞，到併合之後形成的新黑洞，他們都可以透過質量和自轉計算出它們的事件視界，這就是驗證霍金的面積定理的最佳方法。如果這個理論是正確的，那麼兩個原始黑洞的面積之和應該小於新的黑洞。

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觀測和計算的結果表明，兩個原始的黑洞事件視界的表面積之和是23。5萬平方公里，二者併合而成的新黑洞表面積為36。7萬平方公里。終於，研究人員從實際觀測的角度，證明了霍金的這個理論。

Isi說道：“這個資料就是強有力的證據，證明了事件視界的面積在併合之後增加了，面積定理極好地得到了印證。令人滿意的是，我們的結果和預期中的模板高度相符，也符合我們對這種複雜的黑洞併合的理解。”

他還說：“很可能緻密天體擁有著五花八門的型別，雖然有一些是遵從愛因斯坦和霍金的理論的，但還有一些黑洞可能是有所不同的怪獸。因此，這樣的研究幾乎不能說是一勞永逸了，在做了一次研究時，才僅僅是個開始。”

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有趣的是，霍金不僅預言了黑洞的事件視界表面積永遠是增加的，而且還預言了事件視界表面積可能減少。也就是說，他自己一個人就進行了兩個看起來完全相反的預言。

實際上，這兩個預言，來自於不同的理論。他根據量子力學的理論，預言了黑洞的另外一種特性，那就是霍金輻射，也就是通常所說的黑洞蒸發。這個過程非常漫長，所以通常會被我們忽略。但是，如果將時間尺度拉得足夠長，黑洞會透過霍金輻射的現象損失質量，這也就意味著事件視界表面積的減少。

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不論是哪種理論，都有待於科學家們的進一步驗證。不論是愛因斯坦還是霍金的理論，都有一些是直到今天人類還無法驗證的。因此，Isi等人的這一次研究，除了首次驗證了霍金的面積定理之外，還開發了一種新的研究方法，幫助未來的科學家們對引力波進行分析，從而獲得更多關於黑洞及其理論的知識。

相信隨著人類的發展，除了望遠鏡變得越來越強大之外，計算的方法也會越來越精進。只有雙管齊下，才更有機會了解宇宙和一些天體最極端的秘密。不論是愛因斯坦、霍金還是其他科學家的高深理論，終有被人類全部證實的一天。