麻省理工學院和其他地方的物理學家利用引力波，首次在觀測上證實了霍金的黑洞面積定理。有一些規則，即使是宇宙中最極端的天體也必須“遵守”。關於黑洞的一個中心定律預測，黑洞事件視界的面積（即任何東西都無法逃脫的邊界）應該永不縮小。這一定律就是霍金面積定理，以物理學家斯蒂芬·霍金的名字命名，他在1971年得出了這一定理。
50年後，麻省理工學院和其他地方的物理學家現在利用對引力波的觀測，首次證實了霍金的面積定理。他們的結果於周四發表在《物理評論快報》上。
在這項研究中，研究人員仔細觀察了GW150914，這是激光干涉儀引力波觀測站（LIGO）在2015年探測到的第一個引力波信號。該信號是兩個黑洞的產物，產生了一個新的黑洞，同時還有大量的能量，以引力波的形式在時空中蕩漾。
如果霍金的面積定理成立，那麼新黑洞的事件視界面積不應小於其母黑洞的視界總面積。在新研究中，物理學家們重新分析了GW150914在宇宙碰撞前後的信號，發現確實在合併后總的事件視界面積並沒有減少–他們以95%的置信度報告了這一結果。
他們的發現標誌着對霍金面積定理的首次直接觀察確認，該定理已經在數學上得到證明，但直到現在還沒有在自然界中觀察到。該團隊計劃測試未來的引力波信號，看看它們是否可能進一步證實霍金定理或成為新的物理學的標誌。
“有可能存在一個不同的緊湊天體的‘動物園’，雖然其中一些是遵循愛因斯坦和霍金定律的黑洞，但其他的可能是稍微不同的‘野獸’，”主要作者 Maximiliano Isi說，他是麻省理工學院卡夫利天體物理學和空間研究所的博士后研究員。“所以，這並不是說你做一次這個測試就結束了。你做這一次，它就是開始。”
這篇論文中的合著者還包括紐約州立大學石溪分校和Flatiron研究所計算天體物理學中心的 Will Farr、康奈爾大學的Matthew Giesler、加州理工學院的Mark Scheel，以及康奈爾大學的Saul Teukolsky 。
洞察力的時代
1971年，霍金提出了面積定理，引發了一系列關於黑洞力學的基本見解。該定理預測，黑洞事件視界的總面積–以及宇宙中的所有黑洞，都不應該減少。這一定律與熱力學第二定律奇怪地相似，該定律指出，熵，或一個物體內的無序程度，也不應該減少。
這兩個理論之間的相似性表明，黑洞可能表現為熱的、散發熱量的天體–這是一個令人困惑的命題，因為黑洞就其本質而言，被認為永遠不會讓能量逸出或輻射。霍金最終在1974年發表了有關這兩個觀點的研究，表明如果考慮到黑洞的量子效應，黑洞可以在很長的時間範圍內具有熵和輻射。這一現象被稱為 “霍金輻射”，至今仍是關於黑洞的最基本啟示之一。
“這一切都始於霍金的認識，即黑洞的總視界面積永遠不可能下降，” Isi說。”面積定律概括了70年代的一個黃金時代，所有這些見解都是在這裡產生的。”
霍金和其他人已經證明面積定理在數學上是可行的，但在LIGO首次探測到引力波之前，一直沒有辦法對照自然界來檢查它。
霍金在世時聽到這一結果后，迅速聯繫了LIGO的聯合創始人基普-索恩，他是加州理工學院的費曼理論物理學教授。他的問題是。這次探測能否證實面積定理？
當時，研究人員沒有能力在信號中挑出合併前後的必要信息，以確定最終的視界面積是否像霍金定理假設的那樣沒有減少。直到幾年後， Isi和他的同事開發了一種技術，測試面積法則才變得可行。
之前和之後
2019 年，Isi 和他的同事開發了一種技術來提取GW150914 峰值之後的“混響”——兩個母黑洞碰撞形成新黑洞的那一刻。該團隊使用該技術挑選出特定頻率，或其他嘈雜後果的音調，他們可以用它們來計算最終黑洞的質量和自旋。
黑洞的質量和自旋與其事件視界面積直接相關，索恩回憶起霍金的疑問，向他們提出了後續問題：他們是否可以使用相同的技術來比較合併前後的信號，並確認面積定理？
研究人員接受了挑戰，並在其峰值處再次分割了 GW150914 信號。他們開發了一個模型來分析峰值之前的信號，對應於兩個令人振奮的黑洞，並在它們合併之前識別兩個黑洞的質量和自旋。根據這些估計，他們計算了他們的總事件視界面積——估計大約等於 235000 平方公里，大約是馬薩諸塞州面積的九倍。
然後他們使用之前的技術提取新形成的黑洞的“振鈴”或“混響”，從中計算出它的質量和自旋，並最終計算出視界面積，他們發現相當於 367,000 平方公里。
“數據顯示，合併后視面積增加了，而且面積定律滿足的概率非常高，”Isi 說。“令人欣慰的是，我們的結果確實符合我們預期的範式，並且確實證實了我們對這些複雜的黑洞合併的理解。”
該團隊計劃使用來自意大利的 LIGO 和 Virgo 的數據，進一步測試霍金的面積定理和其他長期存在的黑洞力學理論。
“令人鼓舞的是，我們可以用新的、創造性的方式思考引力波數據，並提出我們以前認為無法解決的問題，”Isi說。“我們可以不斷梳理出直接與我們認為我們理解的支柱相關的信息。總有一天，這些數據可能會揭示一些我們沒有預料到的東西。”
這項研究部分得到了美國宇航局、西蒙斯基金會和國家科學基金會的支持。