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藝術家對兩個

黑洞

即將碰撞和合並的印象。

研究提供了基於引力波的證據，表明黑洞事件視界的總面積永遠不會減少。

有些規則，即使是宇宙中最極端的物體也必須遵守。黑洞的中央定律預測，黑洞事件視界的區域——超越它無法逃脫的邊界——不應該縮小。這項法律是

霍金

的區域定理，以物理學家斯蒂芬·霍金的名字命名，霍金於1971年得出了定理。

五十年後，麻省理工學院和其他地方的物理學家首次利用引力波的觀測結果確認了霍金的區域定理。他們的研究結果今天（2021年7月1日）刊登在《物理評論信》上。

在這項研究中，研究人員仔細觀察了GW150914，這是鐳射干涉儀引力波觀測站（LIGO）在2015年探測到的第一個引力波訊號。該訊號是兩個具有靈感的黑洞的產物，這些黑洞產生了一個新的黑洞，以及大量能量，這些能量隨著引力波在時空波濤中波及。

如果霍金的區域定理成立，那麼新黑洞的地平線區域不應小於其母黑洞的總地平線面積。在新的研究中，物理學家重新分析了宇宙碰撞前後GW150914發出的訊號，發現合併後整個事件視界區域確實沒有減少，結果他們以95%的置信度報告。

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麻省理工學院和其他地方的物理學家首次利用引力波觀測確認霍金的黑洞區域定理。這個計算機模擬顯示了產生引力波訊號GW150914的兩個黑洞的碰撞。信用：類比電子時空（SXS）專案。信用： 利戈的禮貌

他們的發現標誌著霍金區域定理的首次直接觀測確認，該定理已被數學證明，但直到現在才在自然界中得到觀察。研究小組計劃測試未來的引力波訊號，看看它們是否會進一步確認霍金定理，或者成為新的、有規律的物理學的標誌。

麻省理工學院卡夫利天體物理學和空間研究所的美國宇航局愛因斯坦博士後研究員馬克西米利亞諾·伊西說：“有可能有一個不同緊湊物體的動物園，雖然其中有些是遵循愛因斯坦和霍金定律的黑洞，但其他黑洞可能是略有不同的野獸。”所以，這不像你做這個測試一次，它結束了。你這樣做一次，這是開始。

伊西的合著者是石溪大學的威爾·法爾和弗拉鐵研究所的計算天體物理學中心、康奈爾大學的馬修·吉斯勒、加州理工學院的馬克·舍爾以及康奈爾大學和加州理工學院的索爾·特科爾斯基。

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有識之士的時代

1971年，史蒂芬·霍金提出了這個區域定理，這引發了一系列關於黑洞力學的基本見解。定理預測黑洞事件視界的總面積——以及宇宙中所有的黑洞——永遠不會減少。該宣告與熱力學的第二定律有著奇怪的相似之處，該定律指出，物體內的熵或紊亂程度也絕不應降低。

這兩種理論的相似性表明，黑洞可以充當熱、發熱的物體——這是一個令人費解的命題，因為黑洞就其本質而言，被認為永遠不會讓能量逸出或輻射。霍金最終在1974年提出了這兩個觀點，表明如果考慮到黑洞的量子效應，黑洞可能會在很長一段時間內產生熵和輻射。這種現象被稱為“霍金輻射”，仍然是關於黑洞最根本的啟示之一。

“這一切都始於霍金意識到黑洞的總地平線區域永遠不會下降，”Isi說。區域法概括了 70 年代的黃金時代，在那裡產生了所有這些見解。

霍金等人已經表明，這個區域定理在數學上是可行的，但是直到LIGO首次探測到引力波，才無法根據自然來檢驗它。

霍金在得知結果後，迅速聯絡了LIGO聯合創始人、加州理工學院理論物理教授基普·索恩。他的問題：檢測能證實區域定理嗎？

當時，研究人員沒有能力在合併前後在訊號中挑選出必要的資訊，以確定最終的地平線區域是否沒有像霍金定理所假設的那樣減少。直到幾年後，Isi 和他的同事才開發出一種技術，以測試區域法。

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之前和之後

2019年，Isi和他的同事開發出一種技術，在GW150914的峰值之後立即提取回響——此時，兩個母黑洞相撞形成一個新的黑洞。研究小組使用這項技術來挑選出特定頻率，或噪音後果的音調，他們可以用來計算最終黑洞的質量和自旋。

黑洞的質量和自旋與其事件視界的區域直接相關，索恩回憶起霍金的詢問，跟他們進行了跟進：他們能否使用同樣的技術來比較合併前後的訊號，並確認區域定理？

研究人員接受了挑戰，並再次將GW150914訊號分裂到峰值。他們開發了一個模型，在峰值前分析訊號，對應兩個有靈感的黑洞，並在兩個黑洞合併前識別它們的質量和自旋。根據這些估計，他們計算了他們的總地平線面積——估計大約相當於23。5萬平方公里，大約是馬薩諸塞州面積的9倍。

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然後，他們使用以前的技術提取新形成的黑洞的“環下”或迴響，從中計算其質量和自旋，並最終計算其地平線面積，他們發現該面積相當於367，000平方公里（大約是灣州面積的13倍）。

三軍情報局說：“資料以壓倒性的信心表明，合併後地平線區域有所增加，而且地區法律對極高的可能性感到滿意。”我們的結果確實符合我們期望的正規化，這確實證實了我們對這些複雜的黑洞合併的理解，這讓我們鬆了一口氣。

研究小組計劃利用來自LIGO和處女座的資料，進一步測試霍金的區域定理，以及其他長期存在的黑洞力學理論。

三軍情報局說：“令人鼓舞的是，我們可以以新的、創造性的方式思考引力波資料，並提出我們認為以前無法回答的問題。”我們可以不斷戲弄一些資訊，這些資訊直接說明了我們認為我們理解的支柱。有一天，這些資料可能會揭示出我們意想不到的東西。