有一些規則，即便是宇宙中最極端的物體(ti) 也必須遵守。有關(guan) 黑洞的一個(ge) 中心定律預測，黑洞的事件視界（任何物體(ti) 都無法逃離的邊界）麵積永遠不會(hui) 縮小。這就是以物理學家斯蒂芬·霍金命名的霍金麵積定理，於(yu) 1971年由霍金推導得出。

　　五十年後，一項最新研究利用引力波得出證據，表明黑洞事件視界的總麵積永遠不會(hui) 減少。麻省理工學院和其他地方的物理學家利用對引力波的觀測，首次證實了霍金提出的麵積定理。他們(men) 的研究結果於(yu) 2021年7月1日發表於(yu) 《物理評論快報》上。

　　在這項研究中，研究人員仔細觀察了GW150914，這是激光幹涉引力波天文台（LIGO）在2015年探測到的第一個(ge) 引力波信號。GW150914是兩(liang) 個(ge) 內(nei) 旋黑洞的產(chan) 物，這兩(liang) 個(ge) 黑洞合並產(chan) 生一個(ge) 新的黑洞，並釋放大量能量。這些能量以引力波的形式在時空中蕩漾。

　　如果霍金的麵積定理成立，那麽(me) 新黑洞的事件視界麵積應該不會(hui) 小於(yu) 其兩(liang) 個(ge) 母黑洞的事件視界總麵積。在新的研究中，物理學家重新分析了兩(liang) 個(ge) 黑洞碰撞之前和之後，來自GW150914的信號。他們(men) 發現，合並之後，事件視界的總麵積確實沒有減少——他們(men) 以95%的置信度發表了這一結果。

　　他們(men) 的發現標誌著對霍金麵積定理的首次直接觀測證實。在此之前，霍金的麵積定理隻在數學上得到證實，但未曾在自然界中觀測到。該研究團隊計劃測試未來的引力波信號，以期進一步證實霍金的定理，或證明這是一個(ge) 新的違反物理定律的標誌。

　　麻省理工學院卡夫利天體(ti) 物理學和空間研究所的NASA愛因斯坦博士後研究員、該研究的主要作者馬西米利亞(ya) 諾·伊西說：“可能存在一個(ge) 不同致密物體(ti) 組成的‘動物園’，雖然其中有一些黑洞遵循愛因斯坦和霍金的定律，但其他可能是稍有不同的‘野獸(shou) ’。所以，這不是說做一次這樣的檢測就大功告成了。這一次檢測，隻是開端。”

　　伊西這篇論文的合著者還包括石溪大學兼Flatiron Institute計算天體(ti) 物理學中心的威爾·法爾、康奈爾大學的馬修·吉斯勒、加州理工學院的馬克·謝爾和康奈爾大學與(yu) 加州理工學院的索爾·塔克爾斯基。

　　洞察力的時代 

　　1971年，斯蒂芬·霍金提出麵積定理，催生一係列關(guan) 於(yu) 黑洞力學的基本見解。麵積定理預測，黑洞事件視界的總麵積——以及宇宙中所有的黑洞——永遠不會(hui) 減少。這一說法與(yu) 熱力學第二定律出奇地相似，因為(wei) 熱力學第二定律指出，熵，或物體(ti) 內(nei) 部的無序程度也永遠不會(hui) 減少。

　　兩(liang) 個(ge) 定理之間的相似性表明，黑洞或可表現為(wei) 熱的、散發熱量的物體(ti) ——這是一個(ge) 令人困惑的主張，因為(wei) 就黑洞的本質而言，人們(men) 認為(wei) 黑洞永遠不會(hui) 讓能量逃逸或輻射。霍金最終在1974年解釋了這兩(liang) 個(ge) 觀點，提出如果考慮到黑洞的量子效應，黑洞可能在極長的時間尺度上具有熵並釋放輻射。這一現象被稱為(wei) “霍金輻射”，並且依然是關(guan) 於(yu) 黑洞的最基礎啟示之一。

　　伊西說：“這一切都始於(yu) 霍金的認識，即黑洞的總事件視界麵積永遠不會(hui) 減少。該麵積定理概況了七十年代的一個(ge) 黃金時代，所有這些見解都來自於(yu) 這個(ge) 時期。”

　　霍金和其他人已經證明麵積定理在數學上是成立的，但是在LIGO首次探測到引力波之前，人們(men) 還沒有辦法通過自然觀測來證實這條定理。

　　當時，霍金聽到LIGO探測到引力波這個(ge) 消息後，立即聯係了LIGO的聯合創始人，也就是加州理工學院理論費曼物理學教授基普·索恩。霍金提出了自己的問題：LIGO的探測結果是否可以證實麵積定理？

　　隻是那時候，研究人員尚沒有能力從(cong) 黑洞合並前後的引力波信號中挑選出必要的信心，來確定最終的事件視界麵積是不是像霍金的麵積定理推測的那樣，並沒有減少。幾年之後，伊西和他的同事們(men) 開發了一項技術，才使得檢測麵積定理成為(wei) 可能。

　　之前和之後 

　　2019年，伊西和他的同事們(men) 開發了一項技術，可以提取GW150914峰值瞬間之後的混響。這一瞬間即兩(liang) 個(ge) 母黑洞合並形成新黑洞的那一瞬間。研究團隊隨後使用該技術挑選出特定頻率，或其他嘈雜後果的音調，他們(men) 可以用挑選出來的頻率計算出最終黑洞的質量和自旋。

　　一個(ge) 黑洞的質量和自旋直接與(yu) 其事件視界的麵積相關(guan) 。索恩回憶起霍金的提問，又向研究團隊提出了一個(ge) 後續問題：他們(men) 是否可以使用相同的技術來比較黑洞合並前後的信心，並證實麵積定理？

　　研究人員接受了挑戰，並在峰值處再次分割GW150914信號。他們(men) 開發了一個(ge) 模型去分析峰值之前的信號，對應兩(liang) 個(ge) 內(nei) 旋的黑洞，並確認它們(men) 在合並之前的各自質量和自旋。根據這些估計，他們(men) 計算出兩(liang) 個(ge) 黑洞的事件視界總麵積，大約為(wei) 235000平方公裏，相當於(yu) 馬薩諸塞州麵積的9倍。

　　然後，他們(men) 使用之前的技術來提取新形成黑洞的“結束鈴響”或混響，據此計算出新黑洞的質量和自旋，最後計算出事件視界的麵積。它們(men) 發現，新黑洞的事件視界麵積大約為(wei) 367000平方公裏，相當於(yu) 馬薩諸塞州麵積的13倍。

　　伊西說：“數據顯示，合並後的事件視界麵積毫無疑問增加了，而且滿足麵積定理的概率十分之高。這非常令人欣慰，我們(men) 的結果於(yu) 我們(men) 預期的範式一致，並且確實證實了我們(men) 對這些複雜黑洞合並的理解。”

　　該團隊計劃未來進一步使用來自LIGO和Virgo（位於(yu) 意大利比薩附近的探測引力波的幹涉儀(yi) ）的數據，檢測霍金的麵積定理和其他長期存在的黑洞力學理論。

　　伊西說：“鼓舞人心的是，我們(men) 可以用新的、創造性的方式思考引力波數據，並解答我們(men) 之前認為(wei) 無法解答的問題。我們(men) 可以不斷梳理出直接與(yu) 我們(men) 認為(wei) 理解的支柱理論相關(guan) 的信息。總有一天，這些數據或許可以揭示一些我們(men) 不曾預期的東(dong) 西。”（勻琳）

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