首次在觀測中證實霍金黑洞面積定理！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
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
50年前霍金提出的黑洞面積永不減小定理，現(xiàn)在終于被證實了。
通過一道黑洞合并后發(fā)出的引力波，麻省理工的科學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，這也是科學家們首次從實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，霍金在理論上推導出：黑洞的邊界（事件視界，event horizon）永遠不會縮小，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，在此之后物理學家們開啟了黑洞熱力學的研究，此后提出了非常多黑洞領域重要的概念，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，這讓物理學家們看到了希望。
是不是可以通過探測到的數(shù)據(jù)，證實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達到峰值時將其分開，運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了！
One More Thing
該研究的第一作者、麻省理工學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”，Rainer Weiss、Kip Stephen Thorne和Barry Clark Barish榮獲2017年諾貝爾物理學獎。
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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