知名理論物理學家史蒂芬·霍金，在1971年推導出了黑洞事件視界（任何物體都無法逃脫的邊界）的總面積永遠不會減少的定理。而基於引力波的最新觀測研究，已經首次證實了這點——即使是宇宙中最極端的物體，也被發現遵守著特定的規則。

計算機模擬產生引力波信號的GW150914 黑洞（來自：LIGO / SXS 項目）

在2021 年7 月1 日發表於《物理評論快報》上的新文章中，研究人員仔細觀察了GW150914 的引力波，它由激光干涉引力波天文台（LIGO）於2015 年首次觀測到。

霍金面積定理指出，新生黑洞的視界面積，不應小於母黑洞的視界總面積。而在這項新研究中，物理學家重新分析了宇宙碰撞前後來自GW150914 的信號。

研究配圖- 1：GW150914 重建

兩個黑洞用引力波的形式，揭示了其在時空中振蕩的巨大能量。而新研究發現，合併後的事件視界的總面積確實沒有減少，且這份報告的置信度高達95% 。

這項新發現，標誌著霍金面積定理首次得到了直接的觀測證實。此前該定理已經得到了數學上的證明，但我們距離自然界的觀察得證，等待了整整50 年。

之後研究團隊還打算對未來的引力波信號展開同樣的觀察，看它們能否進一步證實霍金定理、還是曝出可能違反物理學定理的特殊案例。

研究配圖- 2：GW150914 合併前後的視界面積變化

研究一作、麻省理工學院（MIT）卡弗里天體物理和空間研究所的美國宇航局愛因斯坦博士後研究員Maximiliano 表示：

我們可以想像這麼一個動物園，它由不同緻密的天體所組成。其中一些遵循著愛因斯坦和霍金的黑洞定理，但也有可能存在其它特立獨行的野獸。

所以我們不能僅憑這一次的觀測結果就妄下定論，本次研究不是終點，而是意味著一個新的開始。

研究配圖- 3：不同時間截斷的測量

研究合著者中還包括了來自石溪大學兼Flatiron 研究所計算天體物理中心的Will Farr、康奈爾大學的Matthew Giesler 和Saul Teukolsky、以及加州理工學院的Mark Scheel 等人。

1971 年的時候，史蒂芬·霍金提出了這個面積定理，引發了一系列有關黑洞力學的基本見解。該定理預測黑洞事件視界的總面積（適用於宇宙中的所有黑洞），是永久不會減少的。

然而這個與熱力學第二定律奇怪地平行的表述—— 即物體內部的無需程度（熵）也不應減少—— 還是讓許多圈外人感到費解。

研究配圖- 4：從GW150914 數據的不同部分推斷出來的紅移殘餘和無量綱自旋

兩種理論之間的相似性，表明了黑洞可表現為散發熱量的物體。儘管此前不少人認為黑洞永遠不會讓能量逃逸或輻射出來，但霍金最終還是在1974 年將之很好地融會到了一起。

他表示，如果考慮到量子效應，黑洞可能具有熵、並在很長的時間尺度上放出輻射。這種現象又稱“霍金輻射”，目前仍是與黑洞有關的最基本的啟示之一。

感興趣的朋友，可移步至本月最新出版的《物理評論快報》（Physical Review Letters）查看全文，原標題為《Testing the Black-Hole Area Law with GW150914》。