引力波天文學(xué)剛剛送了我們另一份驚人的禮物：首次經(jīng)觀測(cè)證實(shí)霍金關(guān)于黑洞的一個(gè)預(yù)言。

分析2015年首次檢測(cè)到引力波數(shù)據(jù)，即GW150914，證實(shí)了霍金的黑洞面積定理。它指出，在經(jīng)典物理學(xué)下，黑洞事件視界的面積只能變大，而不能變小。

這項(xiàng)工作為我們提供了一個(gè)新的工具來(lái)探測(cè)這些神秘的物體，并擴(kuò)寬我們對(duì)宇宙理解力的邊界。

麻省理工學(xué)院卡夫里天體物理學(xué)和空間研究所的天體物理學(xué)家馬克西米利亞諾·伊西說(shuō)："有可能存在千奇百怪的天體怪獸，雖然其中一些遵循愛(ài)因斯坦和霍金的定律，但其他可能是稍微不同的黑洞。所以，這并不是說(shuō)觀測(cè)到一次就能結(jié)束。它就是一個(gè)開(kāi)始。"

霍金第一次提出面積定律是在1971年。它預(yù)言，黑洞事件視界的表面積不應(yīng)該減少，而只能增加。

事件視界不是黑洞本身，而是真空中光速也不足以逃離黑洞奇點(diǎn)產(chǎn)生的引力場(chǎng)的那個(gè)臨界表面。它的面積與黑洞質(zhì)量成正比；由于黑洞只能獲得質(zhì)量，根據(jù)廣義相對(duì)論，事件視界應(yīng)該只能增長(zhǎng)。

這種只增加的模型也與另一理論，即熱力學(xué)第二定律奇怪地相似。它指出，熵——宇宙中從有序到無(wú)序的過(guò)程——只能增加。黑洞也有熵，它們與事件視界表面積成正比)。)

從數(shù)學(xué)上看，面積定理是正確的，但卻很難經(jīng)觀測(cè)證實(shí)；主要是因?yàn)楹诙礃O難直接觀測(cè)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)發(fā)出可探測(cè)的輻射。但是后來(lái)，我們檢測(cè)到了兩個(gè)神秘物體之間的碰撞所產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。

這就是GW150914，LIGO干涉儀所記錄的短暫的波動(dòng)改變了一切。這是第一次直接探測(cè)到——不是一個(gè)，而是兩個(gè)黑洞。它們合并形成了更大的黑洞。

這個(gè)黑洞隨后發(fā)出微弱的嘆息，就像被敲響的鐘。在2019年，伊西和同事研究出了如何探測(cè)鐘聲?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)解碼，借此計(jì)算出合體黑洞的質(zhì)量和自旋。

他們還對(duì)合并信號(hào)進(jìn)行了新的分析，計(jì)算出合并前兩個(gè)黑洞的質(zhì)量和自旋。由于質(zhì)量和自旋與事件視界的面積有關(guān)，這使他們能夠計(jì)算出所有三個(gè)物體的事件視界。

如果事件視界可以縮小，那么最終黑洞的事件視界應(yīng)該比兩個(gè)黑洞的事件視界之和小。根據(jù)計(jì)算，兩個(gè)黑洞的事件視界總面積為23.5萬(wàn)平方千米。最終黑洞的面積為36.7萬(wàn)平方公里。

"數(shù)據(jù)壓倒性地表明，合并后的視界面積增加了，而且面積定律以非常高的概率得到了滿足。"伊西說(shuō)，"令人欣慰的是，我們的結(jié)果確實(shí)與我們期望一致，而且確實(shí)證實(shí)了我們的黑洞合并理論。"

至少在短期內(nèi)是這樣。在量子力學(xué)體系下——它與經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)系并不融洽——霍金后來(lái)預(yù)測(cè)，在很長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)，黑洞應(yīng)該以一種我們現(xiàn)在稱之為霍金輻射的黑體輻射的形式損失質(zhì)量。因此，黑洞的事件視界的面積最終仍有可能減少。

這顯然需要未來(lái)的研究。同時(shí)，伊西團(tuán)隊(duì)的工作為我們提供了一個(gè)新的工具集，用于探測(cè)其他引力波觀測(cè)，希望能夠獲得對(duì)黑洞和宇宙物理的更多見(jiàn)解。

"令人鼓舞的是，我們可以用新的、創(chuàng)造性的方式來(lái)思考引力波數(shù)據(jù)，并解答我們以前認(rèn)為不能解答的問(wèn)題。"

這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

https://www./physicists-have-observationally-confirmed-a-major-hawking-prediction-about-black-holes