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霍金黑洞定理首次被观测所证明。

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霍金黑洞定理首次被观测所证明。

有些规则即使是宇宙中最极端的物体也必须遵守。黑洞中心定律预言黑洞的视界(任何物体都无法逃逸的边界)永远不会缩小。这是霍金面积定理,以物理学家史蒂芬·霍金的名字命名,霍金于1971年推导出这个定理。50年后,一项新的研究利用引力波来证明黑洞事件视界的总面积永远不会减少。麻省理工学院和其他地方的物理学家首次利用对引力波的观测来证实霍金面积定理。他们的研究结果发表在2021年7月1日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

在这项研究中,研究人员仔细观察了gw150914,这是LIGO在2015年探测到的第一个引力波信号。gw150914是两个内部旋转黑洞的产物,两个黑洞合并产生一个新的黑洞并释放大量能量。这些能量在时空中以引力波的形式波动。如果霍金面积定理成立,则新黑洞的视界面积不应小于其两个母黑洞的视界总面积。在这项新的研究中,物理学家重新分析了两个黑洞碰撞前后gw150914发出的信号。他们发现合并后事件视界的总面积没有减少——他们以95%的置信度公布了结果。

计算机模拟显示了两个黑洞的碰撞,释放出gw150914引力波信号。他们的发现标志着霍金面积定理的首次直接观察。在此之前,霍金面积定理只在数学上得到了证明,而在自然界中却没有被观察到。研究小组计划测试未来的引力波信号,以进一步证实霍金定理或证明它是违反物理定律的新迹象。”麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的美国宇航局爱因斯坦博士后研究员、该研究报告的主要作者马西米利亚诺·伊西说:“可能有一个由不同密度物体组成的动物园。

”虽然有些黑洞遵循爱因斯坦和霍金定律,但其他黑洞可能是略有不同的“野兽”。所以,这并不是说这样的测试是完整的。这次测试只是个开始。”ISI论文的作者包括斯通布鲁克大学的威尔法尔和弗拉蒂伦研究所的计算天体物理学中心、康奈尔大学的Matthew Gisler、加州理工学院的mark Schell、康奈尔大学和加州理工学院的Saul tuckersky。1971年,史蒂芬·霍金提出了面积定理,由此产生了一系列关于黑洞力学的基本见解。

面积定理预言黑洞事件视界的总面积——以及宇宙中的所有黑洞——永远不会减少。这一说法与热力学第二定律惊人地相似,热力学第二定律指出熵或物体内部的无序程度永远不会降低。这两个定理之间的相似性表明黑洞可能表现为一个热的、辐射的物体——这是一个令人费解的命题,因为就其性质而言,人们相信黑洞永远不会让能量逃逸或辐射。霍金在1974年最后解释了这两种观点,并提出如果考虑黑洞的量子效应,黑洞可能在很长的时间尺度上具有熵并释放辐射。

这种现象被称为“霍金辐射”,仍然是对黑洞最基本的启示之一。”这一切都始于霍金的理解,即黑洞的视界总面积永远不会减少。面积定理勾勒出了20世纪70年代的黄金时代,所有这些见解都来自于此。”霍金等人已经证明面积定理在数学上是有效的,但在LIGO首次探测到引力波之前,还没有办法通过自然观测来证明。当时,霍金听说LIGO探测到了引力波,他立即联系了LIGO的联合创始人、加州理工学院理论费曼物理学教授基普·索恩。

霍金提出了自己的问题:LIGO的探测结果能证实面积定理吗?但当时,研究人员还没有能力从黑洞合并前后的引力波信号中挑选出必要的置信度,以确定最终的视界面积是否没有像霍金面积定理所推测的那样缩小。几年后,ISI和他的同事开发了一种技术,使得检验面积定理成为可能。在2019年前后,ISI和他的同事开发了一种技术,可以在gw150914峰值之后立即提取混响。这个时刻是两个父黑洞合并形成一个新黑洞的时刻。然后,研究小组利用这项技术挑选出一个特定的频率,或是音调的其他噪音结果,他们可以用来计算决赛的质量和自旋。