解决本无法解决的问题：直接用观测数据证实了霍金的黑洞面积定律

解决本无法解决的问题：直接用观测数据证实了霍金的黑洞面积定律

引力波天文学刚刚送了我们另一份惊人的礼物：首次经观测证实霍金关于黑洞的一个预言。

分析2015年首次检测到引力波数据，即GW150914，证实了霍金的黑洞面积定理。它指出，在经典物理学下，黑洞事件视界的面积只能变大，而不能变小。

这项工作为我们提供了一个新的工具来探测这些神秘的物体，并扩宽我们对宇宙理解力的边界。

麻省理工学院卡夫里天体物理学和空间研究所的天体物理学家马克西米利亚诺·伊西说：”有可能存在千奇百怪的天体怪兽，虽然其中一些遵循爱因斯坦和霍金的定律，但其他可能是稍微不同的黑洞。所以，这并不是说观测到一次就能结束。它就是一个开始。”

霍金第一次提出面积定律是在1971年。它预言，黑洞事件视界的表面积不应该减少，而只能增加。

事件视界不是黑洞本身，而是真空中光速也不足以逃离黑洞奇点产生的引力场的那个临界表面。它的面积与黑洞质量成正比；由于黑洞只能获得质量，根据广义相对论，事件视界应该只能增长。

这种只增加的模型也与另一理论，即热力学第二定律奇怪地相似。它指出，熵——宇宙中从有序到无序的过程——只能增加。黑洞也有熵，它们与事件视界表面积成正比)。)

从数学上看，面积定理是正确的，但却很难经观测证实；主要是因为黑洞极难直接观测，因为它们不会发出可探测的辐射。但是后来，我们检测到了两个神秘物体之间的碰撞所产生的时空涟漪。

这就是GW150914，LIGO干涉仪所记录的短暂的波动改变了一切。这是第一次直接探测到——不是一个，而是两个黑洞。它们合并形成了更大的黑洞。

这个黑洞随后发出微弱的叹息，就像被敲响的钟。在2019年，伊西和同事研究出了如何探测钟声。现在，他们已经解码，借此计算出合体黑洞的质量和自旋。

他们还对合并信号进行了新的分析，计算出合并前两个黑洞的质量和自旋。由于质量和自旋与事件视界的面积有关，这使他们能够计算出所有三个物体的事件视界。

如果事件视界可以缩小，那么最终黑洞的事件视界应该比两个黑洞的事件视界之和小。根据计算，两个黑洞的事件视界总面积为23.5万平方千米。最终黑洞的面积为36.7万平方公里。

“数据压倒性地表明，合并后的视界面积增加了，而且面积定律以非常高的概率得到了满足。”伊西说，”令人欣慰的是，我们的结果确实与我们期望一致，而且确实证实了我们的黑洞合并理论。”

至少在短期内是这样。在量子力学体系下——它与经典物理学的关系并不融洽——霍金后来预测，在很长的时间尺度内，黑洞应该以一种我们现在称之为霍金辐射的黑体辐射的形式损失质量。因此，黑洞的事件视界的面积最终仍有可能减少。

这显然需要未来的研究。同时，伊西团队的工作为我们提供了一个新的工具集，用于探测其他引力波观测，希望能够获得对黑洞和宇宙物理的更多见解。

“令人鼓舞的是，我们可以用新的、创造性的方式来思考引力波数据，并解答我们以前认为不能解答的问题。”

这项研究已经发表在《物理评论快报》上。

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