霍金黑洞定理首次得到观测证实 事件视界面积永不减少

计算机模拟产生引力波信号的 GW150914 黑洞（来自：LIGO / SXS 项目）

在 2021 年 7 月 1 日发表于《物理评论快报》上的新文章中，研究人员仔细观察了 GW150914 的引力波，它由激光干涉引力波天文台（LIGO）于 2015 年首次观测到。

霍金面积定理指出，新生黑洞的视界面积，不应小于母黑洞的视界总面积。而在这项新研究中，物理学家重新分析了宇宙碰撞前后来自 GW150914 的信号。

研究配图 - 1：GW150914 重建

两个黑洞用引力波的形式，揭示了其在时空中振荡的巨大能量。而新研究发现，合并后的事件视界的总面积确实没有减少，且这份报告的置信度高达 95% 。

这项新发现，标志着霍金面积定理首次得到了直接的观测证实。此前该定理已经得到了数学上的证明，但我们距离自然界的观察得证，等待了整整 50 年。

之后研究团队还打算对未来的引力波信号展开同样的观察，看它们能否进一步证实霍金定理、还是曝出可能违反物理学定理的特殊案例。

研究配图 - 2：GW150914 合并前后的视界面积变化

研究一作、麻省理工学院（MIT）卡弗里天体物理和空间研究所的美国宇航局爱因斯坦博士后研究员 Maximiliano 表示：

我们可以想象这么一个动物园，它由不同致密的天体所组成。其中一些遵循着爱因斯坦和霍金的黑洞定理，但也有可能存在其它特立独行的野兽。

所以我们不能仅凭这一次的观测结果就妄下定论，本次研究不是终点，而是意味着一个新的开始。

研究配图 - 3：不同时间截断的测量

研究合著者中还包括了来自石溪大学兼 Flatiron 研究所计算天体物理中心的 Will Farr、康奈尔大学的 Matthew Giesler 和 Saul Teukolsky、以及加州理工学院的 Mark Scheel 等人。

1971 年的时候，史蒂芬·霍金提出了这个面积定理，引发了一系列有关黑洞力学的基本见解。该定理预测黑洞事件视界的总面积（适用于宇宙中的所有黑洞），是永久不会减少的。

然而这个与热力学第二定律奇怪地平行的表述 —— 即物体内部的无需程度（熵）也不应减少 —— 还是让许多圈外人感到费解。

研究配图 - 4：从 GW150914 数据的不同部分推断出来的红移残余和无量纲自旋

两种理论之间的相似性，表明了黑洞可表现为散发热量的物体。尽管此前不少人认为黑洞永远不会让能量逃逸或辐射出来，但霍金最终还是在 1974 年将之很好地融会到了一起。

他表示，如果考虑到量子效应，黑洞可能具有熵、并在很长的时间尺度上放出辐射。这种现象又称“霍金辐射”，目前仍是与黑洞有关的最基本的启示之一。

感兴趣的朋友，可移步至本月最新出版的《物理评论快报》（Physical Review Letters）查看全文，原标题为《Testing the Black-Hole Area Law with GW150914》。