引力波最終證實(shí)了霍金的黑洞定理
激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)探測(cè)到兩個(gè)黑洞之間異常強(qiáng)烈的碰撞，這使得物理學(xué)家能夠驗(yàn)證斯蒂芬·霍金在1971年提出的黑洞面積定理。9月10日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
該定理指出，當(dāng)兩個(gè)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的黑洞視界，即連光都無(wú)法逃脫黑洞控制的邊界，其面積不能小于兩個(gè)原始黑洞的面積之和。該定理與熱力學(xué)第二定律相呼應(yīng)。熱力學(xué)第二定律指出，熵或物體內(nèi)部的無(wú)序狀態(tài)永遠(yuǎn)不會(huì)減少。
黑洞合并扭曲了宇宙的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了被稱為引力波的微小時(shí)空波動(dòng)，這些波動(dòng)以光速穿越宇宙。地球上有5個(gè)引力波天文臺(tái)正在尋找比原子核小萬(wàn)倍的波。它們包括美國(guó)的兩個(gè)LIGO探測(cè)器，以及意大利的Virgo探測(cè)器、日本的KAGRA和德國(guó)的GEO600，由一個(gè)名為L(zhǎng)IGO-Virgo-KAGRA(LVK)的國(guó)際合作組織運(yùn)營(yíng)。
最近的這次碰撞被命名為GW250114，與2015年首次觀測(cè)到的產(chǎn)生引力波的碰撞幾乎完全相同。這兩次黑洞的質(zhì)量都在太陽(yáng)質(zhì)量的30到40倍之間，發(fā)生在13億光年之外。
這一次，升級(jí)后的LIGO探測(cè)器靈敏度是2015年的3倍，因此它們能夠以前所未有的細(xì)節(jié)捕獲碰撞產(chǎn)生的波。這使得研究人員能夠通過(guò)計(jì)算證實(shí)黑洞合并后視界面積確實(shí)變大，從而驗(yàn)證了霍金的定理。
英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)的Laura Nuttall是LVK團(tuán)隊(duì)成員，她說(shuō)當(dāng)黑洞碰撞時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生像鐘聲一樣的引力波。以前，這些泛音消散得太快，無(wú)法足夠清晰地觀察到，從而計(jì)算碰撞前后視界的面積，而這正是檢驗(yàn)霍金理論所必需的。2021年對(duì)第一次探測(cè)到的碰撞進(jìn)行的一項(xiàng)研究以95%的置信度支持了該理論，但新研究將置信度提高到了令人信服的99.999%。
在科學(xué)家觀測(cè)引力波的10年里，他們已經(jīng)記錄了大約300次黑洞碰撞。但沒(méi)有一次像GW250114那樣被如此強(qiáng)烈和清晰地捕獲，它的聲音是迄今為止探測(cè)到的其他引力波的兩倍。
當(dāng)GW250114的波到達(dá)地球時(shí)，只有LIG在運(yùn)行，LVK合作組織監(jiān)控的其他探測(cè)器沒(méi)有運(yùn)行。這并不影響對(duì)霍金理論的檢驗(yàn)，但確實(shí)意味著研究人員無(wú)法更清楚地確定這些波在天空中的起源。
同樣來(lái)自樸茨茅斯大學(xué)的LVK團(tuán)隊(duì)的Ian Harry表示，LIGO和其他計(jì)劃中的天文臺(tái)的升級(jí)將在未來(lái)上線，這將帶來(lái)更高的靈敏度，使我們能夠更深入地研究黑洞的物理學(xué)。“我們可能無(wú)法捕捉到所有信號(hào)，但我們還會(huì)再次遇到這樣的事件。下一輪升級(jí)也許在2028年，我們會(huì)看到類似事情，也許到那時(shí)其靈敏度將達(dá)到我們可以真正進(jìn)行深入探究的程度�！�
這些發(fā)現(xiàn)為量子引力研究開(kāi)辟了新道路，物理學(xué)家希望通過(guò)量子引力來(lái)統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子物理學(xué)。Nuttall說(shuō)，最新的結(jié)果表明廣義相對(duì)論和量子力學(xué)繼續(xù)很好地協(xié)同工作，但未來(lái)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)一些差異。
“在某些時(shí)候，我們可能會(huì)開(kāi)始發(fā)現(xiàn)事情不再那么協(xié)調(diào)，這將是在我們獲得非常近的信號(hào)時(shí)，隨著儀器靈敏度的提高，這些信號(hào)在我們的數(shù)據(jù)中會(huì)顯得極其響亮。”Nuttall說(shuō)。
來(lái)自LVK的最新數(shù)據(jù)還使科學(xué)家能夠證實(shí)數(shù)學(xué)家Roy Kerr在1960年代提出的方程，該方程預(yù)測(cè)黑洞僅可以通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征：它們的質(zhì)量和自旋。本質(zhì)上，兩個(gè)具有相同質(zhì)量和自旋的黑洞在數(shù)學(xué)上是相同的。“多虧了對(duì)GW250114的觀測(cè)，我們現(xiàn)在知道這是真的�！�
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/kw5g-d732
