有一些規(guī)則，即便是宇宙中最極端的物體也必須遵守。有關(guān)黑洞的一個(gè)中心定律預(yù)測(cè)，黑洞的事件視界（任何物體都無(wú)法逃離的邊界）面積永遠(yuǎn)不會(huì)縮小。這就是以物理學(xué)家斯蒂芬·霍金命名的霍金面積定理，于1971年由霍金推導(dǎo)得出。

五十年后，一項(xiàng)最新研究利用引力波得出證據(jù)，表明黑洞事件視界的總面積永遠(yuǎn)不會(huì)減少。麻省理工學(xué)院和其他地方的物理學(xué)家利用對(duì)引力波的觀測(cè)，首次證實(shí)了霍金提出的面積定理。

在這項(xiàng)研究中，研究人員仔細(xì)觀察了GW150914，這是激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）在2015年探測(cè)到的第一個(gè)引力波信號(hào)。GW150914是兩個(gè)內(nèi)旋黑洞的產(chǎn)物，這兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生一個(gè)新的黑洞，并釋放大量能量。這些能量以引力波的形式在時(shí)空中蕩漾。

如果霍金的面積定理成立，那么新黑洞的事件視界面積應(yīng)該不會(huì)小于其兩個(gè)母黑洞的事件視界總面積。在新的研究中，物理學(xué)家重新分析了兩個(gè)黑洞碰撞之前和之后，來(lái)自GW150914的信號(hào)。他們發(fā)現(xiàn)，合并之后，事件視界的總面積確實(shí)沒(méi)有減少——他們以95%的置信度發(fā)表了這一結(jié)果。

他們的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著對(duì)霍金面積定理的首次直接觀測(cè)證實(shí)。在此之前，霍金的面積定理只在數(shù)學(xué)上得到證實(shí)，但未曾在自然界中觀測(cè)到。該研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃測(cè)試未來(lái)的引力波信號(hào)，以期進(jìn)一步證實(shí)霍金的定理，或證明這是一個(gè)新的違反物理定律的標(biāo)志。

麻省理工學(xué)院卡夫利天體物理學(xué)和空間研究所的NASA愛(ài)因斯坦博士后研究員、該研究的主要作者馬西米利亞諾·伊西說(shuō)：“可能存在一個(gè)不同致密物體組成的‘動(dòng)物園’，雖然其中有一些黑洞遵循愛(ài)因斯坦和霍金的定律，但其他可能是稍有不同的‘野獸’。所以，這不是說(shuō)做一次這樣的檢測(cè)就大功告成了。這一次檢測(cè)，只是開(kāi)端?！?/p>

洞察力的時(shí)代

1971年，斯蒂芬·霍金提出面積定理，催生一系列關(guān)于黑洞力學(xué)的基本見(jiàn)解。面積定理預(yù)測(cè)，黑洞事件視界的總面積——以及宇宙中所有的黑洞——永遠(yuǎn)不會(huì)減少。這一說(shuō)法與熱力學(xué)第二定律出奇地相似，因?yàn)闊崃W(xué)第二定律指出，熵或物體內(nèi)部的無(wú)序程度也永遠(yuǎn)不會(huì)減少。

兩個(gè)定理之間的相似性表明，黑洞或可表現(xiàn)為熱的、散發(fā)熱量的物體——這是一個(gè)令人困惑的主張，因?yàn)榫秃诙吹谋举|(zhì)而言，人們認(rèn)為黑洞永遠(yuǎn)不會(huì)讓能量逃逸或輻射。霍金最終在1974年解釋了這兩個(gè)觀點(diǎn)，提出如果考慮到黑洞的量子效應(yīng)，黑洞可能在極長(zhǎng)的時(shí)間尺度上具有熵并釋放輻射。這一現(xiàn)象被稱為“霍金輻射”，并且依然是關(guān)于黑洞的最基礎(chǔ)啟示之一。

伊西說(shuō)：“這一切都始于霍金的認(rèn)識(shí)，即黑洞的總事件視界面積永遠(yuǎn)不會(huì)減少。該面積定理概括了七十年代的一個(gè)黃金時(shí)代，所有這些見(jiàn)解都來(lái)自這個(gè)時(shí)期?！?/p>

霍金和其他人已經(jīng)證明面積定理在數(shù)學(xué)上是成立的，但是在LIGO首次探測(cè)到引力波之前，人們還沒(méi)有辦法通過(guò)自然觀測(cè)來(lái)證實(shí)這條定理。

當(dāng)時(shí)，霍金聽(tīng)到LIGO探測(cè)到引力波這個(gè)消息后，立即聯(lián)系了LIGO的聯(lián)合創(chuàng)始人，也就是加州理工學(xué)院理論費(fèi)曼物理學(xué)教授基普·索恩。霍金提出了自己的問(wèn)題：LIGO的探測(cè)結(jié)果是否可以證實(shí)面積定理？

只是那時(shí)候，研究人員尚沒(méi)有能力從黑洞合并前后的引力波信號(hào)中建立信心，來(lái)確定最終的事件視界面積是不是像霍金的面積定理推測(cè)的那樣，并沒(méi)有減少。幾年之后，伊西和他的同事們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，才使得檢測(cè)面積定理成為可能。

之前和之后

2019年，伊西和他的同事們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，可以提取GW150914峰值瞬間之后的混響。這一瞬間即兩個(gè)母黑洞合并形成新黑洞的那一瞬間。研究團(tuán)隊(duì)隨后使用該技術(shù)挑選出特定頻率，或其他嘈雜后果的音調(diào)，他們可以用挑選出來(lái)的頻率計(jì)算出最終黑洞的質(zhì)量和自旋。

一個(gè)黑洞的質(zhì)量和自旋直接與其事件視界的面積相關(guān)。索恩回憶起霍金的提問(wèn)，又向研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)后續(xù)問(wèn)題：他們是否可以使用相同的技術(shù)來(lái)比較黑洞合并前后的信心，并證實(shí)面積定理？

研究人員接受了挑戰(zhàn)，并在峰值處再次分割GW150914信號(hào)。他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型去分析峰值之前的信號(hào)，對(duì)應(yīng)兩個(gè)內(nèi)旋的黑洞，并確認(rèn)它們?cè)诤喜⒅暗母髯再|(zhì)量和自旋。根據(jù)這些估計(jì)，他們計(jì)算出兩個(gè)黑洞的事件視界總面積，大約為23.5萬(wàn)平方公里，相當(dāng)于馬薩諸塞州面積的9倍。

然后，他們使用之前的技術(shù)來(lái)提取新形成黑洞的“結(jié)束鈴響”或混響，據(jù)此計(jì)算出新黑洞的質(zhì)量和自旋，最后計(jì)算出事件視界的面積。它們發(fā)現(xiàn)，新黑洞的事件視界面積大約為36.7萬(wàn)平方公里，相當(dāng)于馬薩諸塞州面積的13倍。

伊西說(shuō)：“數(shù)據(jù)顯示，合并后的事件視界面積毫無(wú)疑問(wèn)增加了，而且滿足面積定理的概率十分之高。這非常令人欣慰，我們的結(jié)果與我們預(yù)期的范式一致，并且確實(shí)證實(shí)了我們對(duì)這些復(fù)雜黑洞合并的理解?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃未來(lái)進(jìn)一步使用來(lái)自LIGO和Virgo（位于意大利比薩附近的探測(cè)引力波的干涉儀）的數(shù)據(jù)，檢測(cè)霍金的面積定理和其他長(zhǎng)期存在的黑洞力學(xué)理論。

伊西說(shuō)：“鼓舞人心的是，我們可以用新的、創(chuàng)造性的方式思考引力波數(shù)據(jù)，并解答我們之前認(rèn)為無(wú)法解答的問(wèn)題。我們可以不斷梳理出直接與我們認(rèn)為理解的支柱理論相關(guān)的信息。總有一天，這些數(shù)據(jù)或許可以揭示一些我們不曾預(yù)期的東西?！?/p>