麻省理工学院和其他地方的物理学家利用引力波首次证明了霍金的黑洞面积定理。有一些规则，即使是宇宙中最极端的天体也必须“遵守”。一个关于黑洞的中心定律预言，黑洞视界的面积（也就是说，任何东西都无法逃脱的边界）永远不会缩小。这个定律就是霍金面积定理，以物理学家史蒂芬·霍金命名，他在1971年提出了这个定理。
50年后，麻省理工学院和其他地方的物理学家现在首次利用对引力波的观测来证明霍金面积定理。他们的研究结果发表在周四的《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年激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到的第一个引力波信号。该信号是两个黑洞的产物，产生了一个新的黑洞。同时，还有大量的能量，在时空中以引力波的形式荡漾。
如果霍金面积定理成立，则新黑洞的视界面积不应小于其母黑洞的视界总面积。在这项新的研究中，物理学家们重新分析了宇宙碰撞前后gw150914的信号，发现合并后的事件视界总面积并没有减少——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理的首次直接观察和证实，霍金面积定理已经在数学上得到证明，但迄今为止还没有在自然界中被观察到。研究小组计划测试未来的引力波信号，看它们是否能进一步证实霍金定理，或者成为新物理学的象征。
麻省理工学院物理物理与空间研究所博士后马克西米利亚诺·伊西（Maximilino ISI）说：“可能有一个不同的紧凑物体‘动物园’，其中一些是遵循爱因斯坦和霍金定律的黑洞，但另一些可能是略有不同的‘野兽’。”。你这次这么做，这是个开始。”
本文的作者包括纽约州立大学斯通布鲁克分校的威尔法尔和弗拉蒂伦研究所计算天体物理学中心；康奈尔大学Matthew giesler；加州理工学院；康奈尔大学的索尔·图科斯基。
1971年，霍金提出面积定理，引出了一系列关于黑洞力学的基本观点。这个定理预言黑洞事件视界的总面积——以及宇宙中的所有黑洞——不应该缩小。这一定律与热力学第二定律非常相似，热力学第二定律规定熵或物体的无序度不应降低。
这两种理论之间的相似性表明，黑洞可能表现为热的、辐射的物体——这是一个令人费解的命题，因为黑洞的本质被认为永远不会让能量逃逸或辐射。霍金终于在1974年发表了一篇关于这两种观点的研究报告，表明如果考虑黑洞的量子效应，黑洞可以在很长的时间范围内产生熵和辐射。这种现象被称为“霍金辐射”，这仍然是黑洞最基本的启示之一。
“这一切都始于霍金的理解，即黑洞的地平线总面积永远不会下降，”伊西说，“面积定律总结了上世纪70年代的黄金时代，在那里所有这些想法都产生了。”
霍金和其他人已经证明面积定理在数学上是可行的，但是直到LIGO第一次探测到引力波，才有办法对照自然来检验它。
霍金活着的时候，听到这个结果，他很快联系上了LIGO的联合创始人Kip Thorne，他是加州理工学院的Feynman理论物理教授。他的问题是。这个探索能证明面积定理吗？
当时，研究人员没有能力挑选出信号组合前后的必要信息，以确定最终的视界面积是否没有像霍金定理所假设的那样减少。直到几年后，ISI和他的同事们才开发出一种测试面积规则的技术。
2019年，ISI和他的同事开发了一种技术，提取gw150914峰值后的“混响”，即两个母体黑洞碰撞形成新黑洞的那一刻。研究小组利用这项技术挑选出特定的频率，或其他噪音后果的音调，他们可以用来计算最终黑洞的质量和自旋。
黑洞的质量和自旋与其视界面积直接相关。索恩回忆起霍金的问题，问了他们一个后续问题：他们能用同样的技术来比较合并前后的信号，并确认面积定理吗？
研究人员接受了这一挑战，并在峰值时再次对gw150914信号进行了分段。他们开发了一个模型来分析峰值前的信号，对应于两个激发的黑洞，并在两个黑洞合并前确定它们的质量和自旋。根据这些估计，他们计算出他们的视界总面积——估计约为23.5万平方公里，约为马萨诸塞州面积的9倍。
然后他们利用之前的技术提取新形成黑洞的“响铃”或“回响”，计算其质量和自旋，最后计算出视界面积，他们发现这个面积相当于36.7万平方公里。
“数据显示合并后表观面积增加，面积定律得到满足的概率非常高，”ISI说，“令人欣慰的是，我们的结果符合我们预期的范式，证实了我们对这些复杂黑洞合并的理解
研究小组计划利用意大利LIGO和Virgo的数据进一步检验霍金面积定理和其他长期存在的黑洞力学理论。
“令人鼓舞的是，我们可以用一种新的创造性的方式来思考引力波数据，并提出我们以前认为无法解决的问题，”ISI说，“我们可以不断梳理出与我们认为我们了解的支柱直接相关的信息。总有一天，这些数据可能会揭示一些我们意想不到的事情。
这项研究得到了美国宇航局、西蒙斯基金会和国家科学基金会的支持。
