霍金50年前提出的黑洞理論，終於被驗證了

黑洞算得上是宇宙中已知的最神奇的天體了，但它也逃不開物理學定律的支配。在衆多支配黑洞的物理學定律中，有一條“黑洞面積定律”是霍金提出的——黑洞事件視界的面積只能隨着時間的推移而增加。此前，囿於技術限制，物理學家一直無法通過實驗驗證這個理論。而最近，引力波終於完成了霍金的夙願。

編譯|王昱

審校|吳非

一個世紀前，一羣科學家用統計力學的方法研究了黑體輻射，從而發現了量子論。兩片烏雲中的一片由此掀起了一陣持續幾十年的狂風暴雨，屬於量子的狂歡時代到來了。而在50年前，又有一羣物理學家用熱力學方法研究黑洞，他們想開啓一場量子引力的盛筵。我們熟知的斯蒂芬·霍金就是其中一員。

黑洞面積定律

1971年，霍金提出了黑洞面積定律（Hawking’s area theorem），這條定律後來被稱爲黑洞熱力學第二定律——黑洞事件視界的面積不可能隨着時間的推移而減少。這與由熱力學第二定律導出的熵增原理非常相似，孤立系統自發進行的演化只能讓系統的熵增加。後來，黑洞所包含的熵更是直接被證明與黑洞事件視界的面積，也就是黑洞表面積成正比。

然而僅僅三年後的1974年，霍金又提出了著名的霍金輻射。霍金輻射表明，黑洞並非只能一味地從宇宙中索取能量與物質，它也會因爲事件視界上的量子漲落向外輻射能量。時間足夠的話，霍金輻射甚至可能會導致黑洞蒸發直至消失，事件視界也會隨之消失。霍金輻射的提出表明，黑洞面積定律在嚴格意義上是不成立的，這直接導致了廣義熱力學第二定律（generalized second law of thermodynamics）的產生。在這個定律中，黑洞外的熵和黑洞的熵會被統一考慮。

不過好在，對於大多數由恆星演化而來的黑洞而言，霍金輻射對黑洞造成的影響可以忽略不計。僅僅一個太陽質量的黑洞就需要1064年才能完全蒸發，這比宇宙的年齡大了54個量級，質量更大的黑洞則需要更長時間才能完全蒸發。所以，我們在研究驗證這些理論時，可以直接以黑洞面積定律爲準。

霍金的夙願

物理學是一門建立在實驗上的學科，一個物理理論無論在數學上多麼完備自洽、在形式上多麼引人入勝，只要與實驗結果相悖，就不能被稱爲正確的理論。單個黑洞不會產生能被探測到的面積改變，無法用於驗證這一定律。但通過引力波檢測兩個黑洞合併，就有希望對這一定律進行直接的檢驗。

2015年，激光干涉引力波觀測臺（LIGO）首次發現了引力波，第一個被檢測到的引力波事件名爲GW150914。它是由一個26倍太陽質量和29倍太陽質量的黑洞合併產生的，合併形成的黑洞質量爲太陽質量的62倍。霍金在得知消息後，馬上聯繫了他的摯友，LIGO聯合創始人，物理學家基普·索恩（Kip Thorne）。霍金的問題是：“此次檢測能驗證黑洞面積定律嗎？”

但命運最終還是給霍金開了一個玩笑。驗證黑洞面積定律的關鍵在於獲取黑洞表面積，而當時研究人員並沒有能力從黑洞合併前後的引力波信號中計算出黑洞表面積，也就無法驗證合併後事件視界的面積是否符合黑洞面積定律的預測。

2019年，馬克西米利亞諾·伊西（Maximiliano Isi）的團隊開發出一種技術，可以提取緊跟在GW150914峯值後的引力波迴響（reverberation），他們可以以此來計算合併後黑洞的質量和自旋。而黑洞的質量和自旋直接與其表面積相關。這時，已經成爲諾獎得主的索恩回想起霍金的問題，他向伊西的團隊提了一個問題：“能否用同樣的技術，對比合並前後的信號，從而驗證黑洞面積定律？”

他們接受了這個挑戰。

從波形到面積

最近，伊西的團隊終於成功了。相關論文於7月1日發表在《物理評論快報》上，文章的第一個引用，就是霍金1971年提出黑洞面積定律的那篇論文。

他們將GW150914的信號從峯值處一分爲二。前半部分爲信號的旋進相（inspiral portion），後半部分爲合併相（ringdown portion）。他們針對旋進相開發了一個模型，可以計算兩個即將合併黑洞的自旋和質量。根據這些結論，他們能計算出兩個黑洞合併前兩個黑洞事件視界的總面積——大約爲23.5萬平方千米。

然後，他們利用之前的技術分析了黑洞合併相（ringdown portion），得到了合併後黑洞的質量和自旋，並由此計算了黑洞事件視界的表面積——大約爲36.7萬平方千米。