即使是宇宙中最极端的物体也必须遵守某些规则，一条关于黑洞的中心定律预测：黑洞事件视界（任何东西包括光都无法逃脱的边界）的面积永远不会缩小。这个定律就是霍金面积定理，以1971年推导出该定理的物理学家斯蒂芬·霍金的名字命名。50年后的今天，麻省理工学院和其他地方的物理学家利用对引力波的观测，首次证实了霍金的面积定理，其研究研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。
在这项研究中，研究人员仔细观察了GW150914，这是激光干涉仪引力波天文台(LIGO)在2015年探测到的第一个引力波信号。这一信号是两个黑洞的产物，它们碰撞合并产生了一个新的黑洞，以及作为引力波在时空中波动的巨大能量。如果霍金面积定理成立，那么新黑洞的视界面积不应小于其母黑洞的视界总面积。在这项新的研究中，物理学家们重新分析了碰撞前后GW150914的信号，发现确实合并后总视界面积并没有减少（研究报告结果的置信度为95%）。
其研究发现标志着对霍金面积定理的首次直接观测证实，该定理已经在数学上得到了证明，但到目前为止从未在自然界中观察到过。研究团队计划测试未来的引力波信号，看看它们是否可能进一步证实霍金定理，或者成为新的绕开定律的物理学标志。该研究的主要作者、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马克西米利亚诺·伊西(Maximiliano ISI)说：
有可能存在一个由不同的致密物体组成的动物园，其中一些是遵循爱因斯坦和霍金定律的黑洞，而另一些可能是略微不同的野兽。所以，这不是说做了一次测试就结束了，这只是开始。其研究的的合著者是石溪大学和熨斗研究所计算天体物理中心的威尔·法尔，康奈尔大学的马修·吉斯勒，加州理工大学的马克·舍尔，以及康奈尔大学和加州理工大学的索尔·特科尔斯基。
洞察黑洞的黄金时代
1971年斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出了面积定理，引发了人们对黑洞力学的一系列基本见解。该定理预言，黑洞视界的总面积不会减小。这一定律与热力学第二定律奇怪地相似，该定律指出，熵，或物体内的无序程度，也永远不应该减少。这两种理论之间的相似之处表明，黑洞可以表现为热的、放热的物体——这是一个令人困惑的命题，因为黑洞的本质被认为永远不会让能量外泄或辐射。
霍金最终在1974年发表了这两个想法的研究，表明如果考虑到黑洞的量子效应，黑洞可能会有熵，并在很长的时间尺度上发射辐射。这一现象被称为“霍金辐射”，至今仍是对黑洞最基本的揭示之一。这一切都始于霍金意识到黑洞的总视界面积不会减少，这些定律概括了70年代的黄金时代，所有这些洞察都是在这个时代产生的。霍金和其科学家早已证明，面积定理在数学上是可行的，但在LIGO首次探测到引力波之前，一直没有办法将其与自然相对照。
得知这一结果后，霍金在世时迅速联系了LIGO联合创始人、加州理工大学费曼理论物理学教授基普·索恩(Kip Thorne)，霍金的问题是：探测能证实面积定理吗？当时，研究人员没有能力在合并前后的信号中挑选出必要信息，以确定最终的面积是否没有像霍金定理假设的那样。直到几年后，研究人员开发了一项技术，才变得可行。这种技术可以在GW150914的峰值之后立即提取“混响”（这是两个母黑洞碰撞形成新黑洞的时刻）。
黑洞合并前后的视界面积
研究小组使用这项技术来挑选出特定的频率，或其他嘈杂的余波信号，从而可以用来计算最终黑洞的质量和自转。黑洞的质量和自转与其活动视界的面积直接相关，索恩回忆起霍金的质疑，提出了一个后续问题：是否可以使用相同的技术来比较合并前后的信号，并证实面积定理？研究人员接受了这一挑战，并在GW150914信号达到峰值时再次将其分开。并开发了一个模型来分析峰值之前的信号，对应于这两个合并的黑洞，在它们合并之前识别这两个黑洞的质量和自转。
根据这些估计，计算出合并前黑洞总视界面积大约等于23.5万平方公里（大约是马萨诸塞州面积的9倍）。然后用之前技术提取了这个新形成的黑洞回响，由此计算了黑洞的质量和自转，并最终计算出合并后黑洞视界总面积相当于36.7万平方公里（大约是海湾州面积的13倍）。数据以压倒性的信心表明，合并后地黑洞视界总面积增加了，面积法非常有可能得到满足。令人欣慰的是，其结果确实符合研究人员的预期，也确实证实了我们对这些复杂黑洞合并的理解。
该团队计划利用LIGO和意大利的室女座(Virgo)的数据，进一步测试霍金的面积定理和其他长期存在的黑洞力学理论。令人振奋的是，研究人员能够以新的、创造性的方式思考引力波数据，并得出我们以前认为无法解决的问题。可以不断梳理出那些直接与我们认为我们理解的相关信息，总有一天，这些数据可能会揭示一些我们意想不到的东西！
博科园｜研究/来自：麻省理工学院
发表期刊《物理评论快报》《arXiv》
Cite: arXiv:2012.04486
霍金黑洞面积定理，于1971年由斯蒂芬·霍金提出