黑洞面積不變！霍金的著名定理被證實(shí)！

GW250114，這串代碼中的“GW”代表了時(shí)空的漣漪——引力波，而數(shù)字則記錄下它抵達(dá)地球的日期：2025年1月14日。

這個(gè)引力波事件，與十年前LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）第一次探測(cè)到的引力波事件GW150914有著驚人的相似之處：它們都是來自約13億光年之外的黑洞并合，且黑洞的質(zhì)量也都在太陽質(zhì)量的30到40倍之間。

不同的是，十年過去了。隨著探測(cè)技術(shù)的飛躍進(jìn)展——尤其是對(duì)儀器噪聲的極大壓制——GW250114的信號(hào)比當(dāng)年的首次探測(cè)清晰得多。

LIGO的Hanford探測(cè)器記錄的引力波信號(hào)。上圖顯示了10年前首次探測(cè)到的引力波事件GW150914，下圖則是在2025年捕獲的GW250114。圖中紫色的線表示的是觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，包含了兩個(gè)部分：引力波信號(hào)和探測(cè)器的背景噪聲。這些噪聲有多種來源，比如會(huì)讓LIGO內(nèi)的巨大鏡子抖動(dòng)的地震活動(dòng)。綠色曲線則表示了基于廣義相對(duì)論的最佳擬合預(yù)測(cè)，即理論上我們期望看到的引力波信號(hào)。從圖中可以看到，最新的觀測(cè)噪聲大幅降低，這得益于LIGO探測(cè)器的一系列尖端改進(jìn)，它們有效地壓制了各種不需要的噪聲。（圖/LIGO/J. Tissino (GSSI)/R. Hurt (Caltech-IPAC)）

在一項(xiàng)剛發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究中，研究人員在分析完GW250114信號(hào)后，得出了兩個(gè)意義非凡的結(jié)論：它不僅證實(shí)了并合黑洞的性質(zhì)與克爾（Kerr）黑洞的性質(zhì)一致，還驗(yàn)證了霍金在半個(gè)世紀(jì)前提出的黑洞面積定理。

旋轉(zhuǎn)的黑洞

對(duì)于大質(zhì)量恒星而言，黑洞是它們演化的最后階段。黑洞有著極端的引力，以至于任何東西（包括光）一旦跨入它的事件視界，都將無法逃脫。

當(dāng)宇宙中的兩個(gè)黑洞并合時(shí)，新形成的黑洞不會(huì)立即靜止，而是像被敲響的鐘或鼓一樣振動(dòng)，并釋放出一種獨(dú)特的引力波“聲音”。如果我們能夠測(cè)量到一個(gè)或多個(gè)這樣的聲音，就可以檢驗(yàn)黑洞是否是一個(gè)克爾黑洞——即廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的，只由質(zhì)量和自旋兩個(gè)參數(shù)完全決定的旋轉(zhuǎn)黑洞。

當(dāng)兩個(gè)黑洞相撞、并合時(shí)，會(huì)釋放出引力波。地球上足夠靈敏的探測(cè)器可以捕捉到引力波信號(hào)，從而解讀出黑洞的質(zhì)量和自旋。（圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

我們可以用樂器來理解黑洞的聲音。不同的樂器（比如鐘、鼓、吉他）因?yàn)樾螤詈筒牧喜煌瑫?huì)發(fā)出截然不同的聲音。此外，聲音還取決于樂器受到擾動(dòng)的方式：比如用鼓槌敲鼓和用刷子掃鼓，發(fā)出的聲音也是不同的。

同樣，克爾黑洞只能發(fā)出一組特定的“聲音”，而這些聲音的頻率和持續(xù)時(shí)間僅由它的質(zhì)量和自旋決定。擾動(dòng)只會(huì)激發(fā)其中的一部分聲音，但如果能測(cè)到多個(gè)聲音，就可以相互對(duì)照，檢驗(yàn)它們是否來自同一個(gè)克爾黑洞。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員首次高置信度地確認(rèn)：GW250114事件中并合形成的黑洞發(fā)出了至少兩種預(yù)測(cè)中的聲音，而且它們的頻率與理論預(yù)期完全一致。這一結(jié)果有力地證明了，最終形成的黑洞確實(shí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的克爾黑洞。

在新研究中，從泛音計(jì)算出的質(zhì)量和自旋，與基音計(jì)算出的質(zhì)量和自旋完全一樣。（圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

霍金的面積定理

來自黑洞并合的引力波信號(hào)，也為檢驗(yàn)黑洞面積定理（也被稱為黑洞熱力學(xué)第二定律）提供了機(jī)會(huì)。1971年，霍金提出了這個(gè)定理，其核心思想是：黑洞事件視界的總表面積，永遠(yuǎn)不會(huì)隨著時(shí)間推移而減少。

當(dāng)兩個(gè)黑洞并合時(shí)，它們的質(zhì)量會(huì)相加，從而會(huì)增大表面積。但與其同時(shí)，在并合過程中會(huì)釋放引力波，帶走一部分能量。另外，新形成的黑洞可能獲得更高的自旋，而自旋越快，黑洞的表面積反而會(huì)相對(duì)減小。盡管存在這些相反的影響，但面積定理告訴我們：無論如何，黑洞的總表面積都必須增加。

之后后來，霍金和物理學(xué)家Jacob Bekenstein提出，黑洞的面積與它的熵（即無序程度）成正比。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對(duì)黑洞的理解，也為未來探索量子引力理論——試圖統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的理論——奠定了重要基礎(chǔ)。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們通過精確分析并合后“鈴宕階段”的引力波信號(hào)，測(cè)量出新黑洞的質(zhì)量和自旋，并據(jù)此計(jì)算出它的表面積。結(jié)果表明，最終黑洞的表面積確實(shí)比并合前兩個(gè)黑洞的總和更大，與霍金半個(gè)世紀(jì)前的預(yù)測(cè)完全一致。

黑洞的表面積是由其事件視界定義的，并且與黑洞質(zhì)量的平方成正比。比較并合前后的黑洞表面積，研究人員確認(rèn)了表面積確實(shí)增加了，從而支持了霍金的理論。（圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

事實(shí)上，這是第二次檢驗(yàn)黑洞面積定理。第一次是在2021年，但由于當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)不夠清晰，結(jié)果的置信度只有95%，但新結(jié)果的置信度達(dá)到了99.999%。

引力波天文學(xué)的時(shí)代

十年前，人類第一次“聽見”了引力波，為我們觀察宇宙打開了一扇全新的窗口。透過這扇窗口，我們已經(jīng)收獲了許多令人振奮的發(fā)現(xiàn)。而今天，借助不斷精進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，我們聽得更清晰、看得更深入。可以預(yù)見，真正屬于引力波天文學(xué)的時(shí)代，才剛剛拉開帷幕。

#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

撰文：不二北斗

#參考來源：

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20250910

https://ligo.org/science-summaries/GW250114_discovery/

https://physics.aps.org/articles/v18/160

#圖片來源：

封面圖&首圖：Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI