斯蒂芬·霍金黑洞定理首次在观测上得到证实

2021-07-05 责任编辑：未填浏览数：80 智能中国网

核心提示：北京时间7月5日消息，即使是宇宙中最极端的物体也必须遵守一些规则。一个关于黑洞的中心定律预言，视界（任何物体都无法逃脱的边界）的面积永远不会缩小。这是霍金面积定理，以物理学家史蒂芬霍金的名字命名，由霍金于1971年推导。50年后，一项新的研究利用引力波来证明黑洞事件视界的总面积永远不会减少。麻省理工学院和其

北京时间7月5日消息，即使是宇宙中最极端的物体也必须遵守一些规则。一个关于黑洞的中心定律预言，视界（任何物体都无法逃脱的边界）的面积永远不会缩小。这是霍金面积定理，以物理学家史蒂芬·霍金的名字命名，由霍金于1971年推导。

50年后，一项新的研究利用引力波来证明黑洞事件视界的总面积永远不会减少。麻省理工学院和其他地方的物理学家首次利用对引力波的观测来证实霍金面积定理。他们的发现发表在2021年7月1日的《物理评论快报》上。

在这项研究中，研究人员观察了gw150914，这是2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到的第一个引力波信号。gw150914是两个内部旋转黑洞的产物，它们合并产生一个新的黑洞并释放出大量能量。这些能量在时间和空间上以引力波的形式波动。

如果建立了霍金面积定理，则新黑洞的视界面积不应小于其两个黑洞的视界总面积。在新的研究中，物理学家重新分析了两个黑洞碰撞前后gw150914发出的信号。他们发现，合并后，视界的总面积没有减少——他们以95%的置信度公布了结果。

计算机模拟显示了两个黑洞之间的碰撞，释放了gw150914引力波信号。计算机模拟显示了两个黑洞之间的碰撞，释放了gw150914引力波信号。

他们的发现标志着霍金面积定理的首次直接观察和证实。在此之前，霍金面积定理只是在数学上得到了证明，但在自然界中却没有被观察到。该小组计划测试未来的引力波信号，以进一步证实霍金定理或证明这是违反物理定律的新迹象。

麻省理工学院卡富利天体物理与空间研究所天体物理与空间研究所博士后研究员marchemiano ISI说：“可能有一个由不同密度物体组成的动物园。”可能有一个由不同密度物体组成的动物园。虽然有些黑洞遵循爱因斯坦定律和霍金定律，但其他黑洞可能是略有不同的“野兽”。所以，这并不是说这样的测试会成功。这次测试，才刚刚开始。”

ISI的合著者还包括了石西大学和弗拉伦森计算天体物理中心、康奈尔大学的Matthew Gisler、加州理工学院和康奈尔大学的mark Schell以及加州理工学院的SultTukksKy。

洞察的时代

1971年，斯蒂芬·霍金提出了面积定理，由此产生了一系列关于黑洞力学的基本观点。面积定理预言黑洞事件视界的总面积——以及宇宙中的所有黑洞——永远不会缩小。这与热力学第二定律有一个奇怪的相似之处，因为热力学第二定律指出熵，或物体内部的无序度，永远不会减少。

这两个定理之间的相似性表明，黑洞或可以表示为热并放出热量的物体是一个令人困惑的命题，因为就黑洞的性质而言，人们认为黑洞从不让能量逃逸或辐射。霍金在1974年最后解释了这两种观点，并提出如果考虑黑洞的量子效应，黑洞可能在很长的时间尺度上具有熵并释放辐射。这种现象被称为霍金辐射，仍然是黑洞最基本的含义之一。

伊西说：“这一切都始于霍金的理解，即黑洞的视界总面积永远不会减少。”。这个面积定理勾勒出了20世纪70年代的黄金时代，所有这些见解都来自这一时期。”

霍金等人已经证明面积定理在数学上是正确的，但在LIGO首次探测到引力波之前，还没有办法用自然观测来证明。

霍金听到LIGO探测到引力波的消息后，立即联系了LIGO的联合创始人、加州理工学院费曼物理学理论教授Kip Thorne。霍金问自己LIGO的结果是否能证实面积定理？

当时，研究人员无法从黑洞合并前后的引力波信号中选择必要的置信度，以确定最终的视界面积是否没有如霍金面积定理所预测的那样缩小。几年后，ISI和他的同事开发了一种技术，使得探测面积定理成为可能。

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