首次在观测中证实霍金黑洞面积定理！他们从引力波中算出黑洞真实面积

明敏 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

50年前霍金提出的黑洞面积永不减小定理，现在终于被证实了。

通过一道黑洞合并后发出的引力波，麻省理工的科学家们推算出了黑洞合并前和合并后的面积。

结果表明，黑洞合并后的总面积没有减小。

这与霍金在1971年提出的“宇宙中黑洞的总面积总是不会缩小”，完全重合。

而且，这也是科学家们首次从实际观测中论证这一原理，研究成果已在《物理评论快报》上发表。

宇宙中黑洞总面积不会减小

所以，被证实的霍金黑洞面积定理，到底是在讲什么呢？

1971年，霍金在理论上推导出：黑洞的边界（事件视界，event horizon）永远不会缩小，这一定理后来被命名为“霍金面积定理”。

也就是说，宇宙中所有黑洞的总面积，是永远不会减少的。

而这一定理在黑洞研究史上非常重要，在此之后物理学家们开启了黑洞热力学的研究，此后提出了非常多黑洞领域重要的概念，比如黑洞熵、霍金辐射等等。

但此后很多年，物理学家们只是在理论上多次论证了黑洞面积定理是合理的，但始终没能在现实中得到验证。

直到2015年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）观测到了第一个双黑洞合并的引力波信号GW150914，这让物理学家们看到了希望。

是不是可以通过探测到的数据，证实霍金黑洞面积定理了呢？

甚至连霍金本人，都曾与LIGO取得联系，询问他们的探测结果是否能用于证明。

但受限于当时的技术，信号中的许多信息还不能被提取出来。

直到2019年，研究人员开发了一种技术，可以提取出两个黑洞在发生碰撞的那一刻之后GW150914的一些信息。

△GW150914重建：蓝色表示碰撞前，橙色表示碰撞后

他们从中挑选出特定的频率或其他嘈杂的余波信号，用这些信息可以计算出新产生黑洞的质量和自旋转速。

从“黑洞无毛定律”可以知道，无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定。

由此就能计算出黑洞的面积。

那碰撞前的黑洞数据，是不是也能通过这样的方法来计算得出呢？

研究人员在GW150914达到峰值时将其分开，运用一个模型来分析碰撞前的信号，从而得出两个碰撞黑洞的质量和自旋速度。

最终结果表明，合并前双黑洞总面积大约为23.5万平方公里（相当于14个北京市；合并后的新黑洞面积约为36.7万平方公里（相当于22个北京市）。

后者显然大于前者，霍金黑洞面积原理真的被证实了！

One More Thing

该研究的第一作者、麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的爱因斯坦博士后研究员Maximiliano ISi表示：

这就像是一个动物园，有一些黑洞可能遵循相对论和霍金定理，但可能会有例外。

因此，这次结果不意味着结束，而是刚刚开始。

此外，因“对LIGO探测器及重力波探测的决定性贡献”，Rainer Weiss、Kip Stephen Thorne和Barry Clark Barish荣获2017年诺贝尔物理学奖。

而探测到这一信号的激光干涉引力波天文台（LIGO），是借助于激光干涉仪观测来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。

△LIGO汉福德区 来源：LIGO官网

它由两台干涉仪组成：一个在华盛顿汉福德区，另一个在路易斯安那州利文斯顿，它们协同工作以探测引力波。

人类第一次观测到双黑洞合并引力波、第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，都是通过LIGO实现的。

论文地址：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.011103

参考链接：
https://news.mit.edu/2021/hawkings-black-hole-theorem-confirm-0701