霍金黑洞定理首次得到观测证实 事件视界面积永不减少

知名理论物理学家史蒂芬·霍金,在 1971 年推导出了黑洞事件视界(任何物体都无法逃脱的边界)的总面积永远不会减少的定理。而基于引力波的最新观测研究,已经首次证实了这点 —— 即使是宇宙中最极端的物体,也被发现遵守着特定的规则。

计算机模拟产生引力波信号的 GW150914 黑洞(来自:LIGO / SXS 项目)

在 2021 年 7 月 1 日发表于《物理评论快报》上的新文章中,研究人员仔细观察了 GW150914 的引力波,它由激光干涉引力波天文台(LIGO)于 2015 年首次观测到。

霍金面积定理指出,新生黑洞的视界面积,不应小于母黑洞的视界总面积。而在这项新研究中,物理学家重新分析了宇宙碰撞前后来自 GW150914 的信号。

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研究配图 – 1:GW150914 重建

两个黑洞用引力波的形式,揭示了其在时空中振荡的巨大能量。而新研究发现,合并后的事件视界的总面积确实没有减少,且这份报告的置信度高达 95% 。

这项新发现,标志着霍金面积定理首次得到了直接的观测证实。此前该定理已经得到了数学上的证明,但我们距离自然界的观察得证,等待了整整 50 年。

之后研究团队还打算对未来的引力波信号展开同样的观察,看它们能否进一步证实霍金定理、还是曝出可能违反物理学定理的特殊案例。

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研究配图 – 2:GW150914 合并前后的视界面积变化

研究一作、麻省理工学院(MIT)卡弗里天体物理和空间研究所的美国宇航局爱因斯坦博士后研究员 Maximiliano 表示:

我们可以想象这么一个动物园,它由不同致密的天体所组成。其中一些遵循着爱因斯坦和霍金的黑洞定理,但也有可能存在其它特立独行的野兽。

所以我们不能仅凭这一次的观测结果就妄下定论,本次研究不是终点,而是意味着一个新的开始。

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研究配图 – 3:不同时间截断的测量

研究合著者中还包括了来自石溪大学兼 Flatiron 研究所计算天体物理中心的 Will Farr、康奈尔大学的 Matthew Giesler 和 Saul Teukolsky、以及加州理工学院的 Mark Scheel 等人。

1971 年的时候,史蒂芬·霍金提出了这个面积定理,引发了一系列有关黑洞力学的基本见解。该定理预测黑洞事件视界的总面积(适用于宇宙中的所有黑洞),是永久不会减少的。

然而这个与热力学第二定律奇怪地平行的表述 —— 即物体内部的无需程度(熵)也不应减少 —— 还是让许多圈外人感到费解。

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研究配图 – 4:从 GW150914 数据的不同部分推断出来的红移残余和无量纲自旋

两种理论之间的相似性,表明了黑洞可表现为散发热量的物体。尽管此前不少人认为黑洞永远不会让能量逃逸或辐射出来,但霍金最终还是在 1974 年将之很好地融会到了一起。

他表示,如果考虑到量子效应,黑洞可能具有熵、并在很长的时间尺度上放出辐射。这种现象又称“霍金辐射”,目前仍是与黑洞有关的最基本的启示之一。

感兴趣的朋友,可移步至本月最新出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters)查看全文,原标题为《Testing the Black-Hole Area Law with GW150914》。

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