研究提供了基于引力波的证据，表明黑洞事件视界的总面积永远不会减少。
即使是宇宙中最极端的物体也必须遵守某些规则。黑洞的中心定律预测它们的事件视界区域永远不会缩小。该定律是霍金面积定律，以物理学家斯蒂芬霍金的名字命名，他于1971年推导出该定律。
五十年后，麻省理工学院和其他地方的物理学家利用引力波观测首次证实了霍金的面积定律。他们的结果于2021年7月1日发表在《物理评论快报》上。
在这项研究中，研究人员仔细观察了GW150914，这是2015年激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到的第一个引力波信号。该信号是两个黑洞合并的产物，产生了一个新的黑洞，以及以引力波的形式在时空中荡漾的巨大能量。
如果霍金面积定律成立，那么新黑洞的视界面积不应小于其母黑洞的视界总面积。在这项新研究中，物理学家重新分析了宇宙碰撞前后来自GW150914的信号，发现确实，合并后事件视界的总面积并没有减少——他们以95%的置信度报告了这一结果。
他们的发现标志着霍金面积定律的首次直接观测证实，该定律已在数学上得到证明，但直到现在才在自然界中观察到。该团队计划测试未来的引力波信号，看看它们是否能进一步证实霍金定律或成为新的、违反法律的物理学的标志。
洞察力的时代
1971年，史蒂芬霍金提出面积定律，引发了一系列关于黑洞力学的基本见解。该定律预测黑洞事件视界的总面积——以及宇宙中的所有黑洞，就此而言——永远不会减少。这个陈述与热力学第二定律奇怪地平行，后者指出熵，或物体内部的无序程度，也不应该减少。
这两种理论之间的相似性表明，黑洞可以表现为热的、散发热量的物体——这是一个令人困惑的命题，因为从本质上讲，人们认为黑洞永远不会让能量逃逸或辐射。霍金最终在1974年将这两个想法平方，表明如果考虑到它们的量子效应，黑洞可能具有熵并在很长的时间尺度上发射辐射。这种现象被称为“霍金辐射”，并且仍然是关于黑洞的最基本的启示之一。
“这一切都始于霍金意识到黑洞的视界总面积永远不会下降，”伊西说。“面积法概括了70年代的黄金时代，所有这些见解都在此产生。”
霍金和其他人后来证明了面积定律在数学上是可行的，但在LIGO首次探测到引力波之前，一直没有办法将其与自然进行核对。
霍金在得知结果后，迅速联系了LIGO联合创始人、加州理工学院理论物理学费曼教授基普·索恩。他的问题是：天文观测能否证实面积定律？
当时，研究人员没有能力在合并前后从信号中挑选出必要的信息，以确定最终的视界区域是否没有像霍金定律所假设的那样减少。直到几年后，伊西和他的同事开发了一项技术，测试面积定律才变得可行。
之前和之后
2019年，伊西和他的同事开发了一种技术来提取GW150914峰值之后的混响——两个母黑洞碰撞形成新黑洞的那一刻。该团队使用该技术挑选出特定频率，或其他嘈杂后果的音调，他们可以用它们来计算最终黑洞的质量和自旋。
黑洞的质量和自旋与其事件视界的面积直接相关，索恩回忆起霍金的疑问，向他们提出了后续问题：他们是否可以使用相同的技术来比较合并前后的信号，并确认面积定律？
研究人员接受了挑战，并在其峰值处再次分割了GW150914信号。他们开发了一个模型来分析峰值之前的信号，对应于两个令人振奋的黑洞，并在它们合并之前识别两个黑洞的质量和自旋。根据这些估计，他们计算了他们的总地平线面积——估计大约等于235,000平方公里，大约是马萨诸塞州面积的九倍。
然后，他们使用之前的技术提取新形成的黑洞的“振铃”或混响，从中计算出它的质量和自旋，最终计算出视界面积，他们发现相当于367,000平方公里。
“数据显示，合并后地平线面积增加了，而且面积定律满足的概率非常高，”伊西说。“令人欣慰的是，我们的结果确实符合我们预期的范式，并且确实证实了我们对这些复杂的黑洞合并的理解。”
该团队计划使用来自意大利的LIGO和Virgo的数据，进一步测试霍金的面积定律和其他长期存在的黑洞力学理论。
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