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引力波再次立功,霍金的黑洞面积定理得到了证实

黑洞具有表面积,一般来说,如果黑洞不旋转,也就是史瓦西黑洞,那么事件视界的表面积就是黑洞面积;如果是旋转黑洞,也就是克尔黑洞,那么它的外视界表面积就定义为黑洞面积。1971年,霍金在宇宙监督假设和强能量条件下证明了黑洞面积定理:黑洞的表面积在顺时方向不会减少。

引力波再次立功,霍金的黑洞面积定理得到了证实

根据黑洞面积定理,我们可以知道,当两个黑洞合并的时候,合并后的面积大于合并前各黑洞面积之和。但是,一个大黑洞不能自发地分裂成两个小黑洞,否则它将违反面积定理。

我们以两个史瓦西黑洞为例,假设它们的质量分别为M1和M2,于是它们的面积分别为A1=16πM1,A2=16πM2。当这两个黑洞合并之后,它的质量变为M=M1+M2,面积为A=16πM=A1+A2+32πM1M2。从这个数学计算我们可以看出,合并后的面积确实大于合并前各面积之和。

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热力学第二定律告诉我们,孤立系统的熵总是不断增加的。但是,在遇到黑洞之后,熵增原理好像就失效了。著名物理学家贝肯斯坦在看到霍金的黑洞面积定理之后,发现黑洞的表面积和熵非常相似,他认为面积定理就是熵增原理在黑洞的具体表现形式。物体落入黑洞,看似熵消失了,但其实熵是以黑洞表面积的形式增加了,这就不违反熵增原理了。

但是,霍金最初并不同意他的看法。如果面积定理是热力学第二定律的体现,那么就说明黑洞具有热性质,它应该能发出辐射。但是,黑洞连光都逃脱不了,又怎么能发出辐射呢?

后来,在接触到一些量子效应之后,霍金认真考虑了本肯斯坦的想法,这也促成了后来的霍金辐射。宇宙中可能会“凭空”出现一对粒子,它们很快出现又很快相互湮灭而消失,这被称为量子涨落。但是,如果这对粒子出现在黑洞事件视界的附近,其中一个粒子掉入黑洞,另一个粒子就能自由逃亡宇宙空间了,这些逃离黑洞的粒子就是霍金辐射。

引力波再次立功,霍金的黑洞面积定理得到了证实

黑洞面积定理在数学上已经证明过了,但是却还没得到过实验的验证。这是因为,在引力波发现之前,我们不能探测到两个黑洞的合并。但是,现在引力波探测器已经成为了天文学的一大工具,它已经发现了大量的黑洞合并信号了。通过引力波信号,科学家可以知道合并前各黑洞的质量和合并后大黑洞的总质量。

麻省理工学院的天体物理学家团队分析了2015年首次发现的引力波信号,并计算了黑洞的表面积。结果表明,合并后的黑洞面积大于合并前各黑洞的面积之和,该实验的置信水平为95%。这就表明,霍金又再一次正确了,黑洞面积定理得到了实验的验证。

引力波再次立功,霍金的黑洞面积定理得到了证实

霍金辐射虽然会减少黑洞的面积,但是它基本上是微乎其微的。由霍金辐射导致的黑洞面积减少需要宇宙尺度的时间才能观察到,因此霍金辐射并不会影响本次的实验结果。

早在之前就有科学家说过,黑洞和引力波是广义相对论的结果,它们也得到了证实。而面积定理也是由广义相对论发展而来,因此面积定理得到证实是一个必然的事件。

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