首次在觀測中證實(shí)霍金黑洞面積定理！他們從引力波中算出黑洞面積
甚至連霍金本人，都曾與LIGO取得聯(lián)系，詢問他們的探測結(jié)果是否能用于證明。
明敏 發(fā)自 凹非寺
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50年前霍金提出的黑洞面積永不減小定理，現(xiàn)在終于被證實(shí)了。
通過一道黑洞合并后發(fā)出的引力波，麻省理工的科學(xué)家們推算出了黑洞合并前和合并后的面積。
結(jié)果表明，黑洞合并后的總面積沒有減小。
這與霍金在1971年提出的“宇宙中黑洞的總面積總是不會縮小”，完全重合。
而且，這也是科學(xué)家們首次從實(shí)際觀測中論證這一原理，研究成果已在《物理評論快報》上發(fā)表。
宇宙中黑洞總面積不會減小
所以，被證實(shí)的霍金黑洞面積定理，到底是在講什么呢？
1971年，霍金在理論上推導(dǎo)出：黑洞的邊界（事件視界，event horizon）永遠(yuǎn)不會縮小，這一定理后來被命名為“霍金面積定理”。
也就是說，宇宙中所有黑洞的總面積，是永遠(yuǎn)不會減少的。
而這一定理在黑洞研究史上非常重要，在此之后物理學(xué)家們開啟了黑洞熱力學(xué)的研究，此后提出了非常多黑洞領(lǐng)域重要的概念，比如黑洞熵、霍金輻射等等。
但此后很多年，物理學(xué)家們只是在理論上多次論證了黑洞面積定理是合理的，但始終沒能在現(xiàn)實(shí)中得到驗證。
直到2015年，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）觀測到了第一個雙黑洞合并的引力波信號GW150914，這讓物理學(xué)家們看到了希望。
是不是可以通過探測到的數(shù)據(jù)，證實(shí)霍金黑洞面積定理了呢？
甚至連霍金本人，都曾與LIGO取得聯(lián)系，詢問他們的探測結(jié)果是否能用于證明。
但受限于當(dāng)時的技術(shù)，信號中的許多信息還不能被提取出來。
直到2019年，研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，可以提取出兩個黑洞在發(fā)生碰撞的那一刻之后GW150914的一些信息。
△GW150914重建：藍(lán)色表示碰撞前，橙色表示碰撞后
他們從中挑選出特定的頻率或其他嘈雜的余波信號，用這些信息可以計算出新產(chǎn)生黑洞的質(zhì)量和自旋轉(zhuǎn)速。
從“黑洞無毛定律”可以知道，無論什么樣的黑洞，其最終性質(zhì)僅由幾個物理量（質(zhì)量、角動量、電荷）唯一確定。
由此就能計算出黑洞的面積。
那碰撞前的黑洞數(shù)據(jù)，是不是也能通過這樣的方法來計算得出呢？
研究人員在GW150914達(dá)到峰值時將其分開，運(yùn)用一個模型來分析碰撞前的信號，從而得出兩個碰撞黑洞的質(zhì)量和自旋速度。
最終結(jié)果表明，合并前雙黑洞總面積大約為23.5萬平方公里（相當(dāng)于14個北京市；合并后的新黑洞面積約為36.7萬平方公里（相當(dāng)于22個北京市）。
后者顯然大于前者，霍金黑洞面積原理真的被證實(shí)了！
One More Thing
該研究的第一作者、麻省理工學(xué)院卡夫利天體物理與空間研究所的愛因斯坦博士后研究員Maximiliano ISi表示：
這就像是一個動物園，有一些黑洞可能遵循相對論和霍金定理，但可能會有例外。
因此，這次結(jié)果不意味著結(jié)束，而是剛剛開始。
此外，因“對LIGO探測器及重力波探測的決定性貢獻(xiàn)”，Rainer Weiss、Kip Stephen Thorne和Barry Clark Barish榮獲2017年諾貝爾物理學(xué)獎。
而探測到這一信號的激光干涉引力波天文臺（LIGO），是借助于激光干涉儀觀測來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。
△LIGO漢福德區(qū) 來源：LIGO官網(wǎng)
它由兩臺干涉儀組成：一個在華盛頓漢福德區(qū)，另一個在路易斯安那州利文斯頓，它們協(xié)同工作以探測引力波。
人類第一次觀測到雙黑洞合并引力波、第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，都是通過LIGO實(shí)現(xiàn)的。
論文地址：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.011103
參考鏈接：
https://news.mit.edu/2021/hawkings-black-hole-theorem-confirm-0701
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