黑洞面積不變！霍金的著名定理被證實！

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

這個引力波事件，與十年前LIGO（激光干涉引力波天文臺）第一次探測到的引力波事件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。隨著探測技術(shù)的飛躍進展——尤其是對儀器噪聲的極大壓制——GW250114的信號比當年的首次探測清晰得多。

LIGO的Hanford探測器記錄的引力波信號。上圖顯示了10年前首次探測到的引力波事件GW150914，下圖則是在2025年捕獲的GW250114。圖中紫色的線表示的是觀測到的數(shù)據(jù)，包含了兩個部分：引力波信號和探測器的背景噪聲。這些噪聲有多種來源，比如會讓LIGO內(nèi)的巨大鏡子抖動的地震活動。綠色曲線則表示了基于廣義相對論的最佳擬合預(yù)測，即理論上我們期望看到的引力波信號。從圖中可以看到，最新的觀測噪聲大幅降低，這得益于LIGO探測器的一系列尖端改進，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)）

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

旋轉(zhuǎn)的黑洞

對于大質(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。

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

當兩個黑洞相撞、并合時，會釋放出引力波。地球上足夠靈敏的探測器可以捕捉到引力波信號，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）因為形狀和材料不同，會發(fā)出截然不同的聲音。此外，聲音還取決于樂器受到擾動的方式：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)時間僅由它的質(zhì)量和自旋決定。擾動只會激發(fā)其中的一部分聲音，但如果能測到多個聲音，就可以相互對照，檢驗它們是否來自同一個克爾黑洞。

在這項新研究中，研究人員首次高置信度地確認：GW250114事件中并合形成的黑洞發(fā)出了至少兩種預(yù)測中的聲音，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是一個簡單的克爾黑洞。

在新研究中，從泛音計算出的質(zhì)量和自旋，與基音計算出的質(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，也為檢驗黑洞面積定理（也被稱為黑洞熱力學第二定律）提供了機會。1971年，霍金提出了這個定理，其核心思想是：黑洞事件視界的總表面積，永遠不會隨著時間推移而減少。

當兩個黑洞并合時，它們的質(zhì)量會相加，從而會增大表面積。但與其同時，在并合過程中會釋放引力波，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相對減小。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)一廣義相對論和量子力學的理論——奠定了重要基礎(chǔ)。

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

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，研究人員確認了表面積確實增加了，從而支持了霍金的理論。（圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

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

引力波天文學的時代

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，借助不斷精進的探測技術(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的時代，才剛剛拉開帷幕。

#創(chuàng)作團隊：

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