引力波的发现证实了霍金的黑洞面积定理

100次浏览发布时间：2023-04-12 15:46:15

1971年，霍金在宇宙监督假设和强能量条件的基础上推导出了黑洞面积定理：黑洞的表面积不会随着时间的推移而减少。面积定理吸引了许多物理学家，因为它反应了热力学第二定律，即熵不能随着时间减少。

如果黑洞把物体吸入内部，那么它的质量会增加，从而也增加了黑洞的表面积。但是，被吸进的物体会使黑洞角动量增加，使表面积减少。不过，由于附加质量而增加的表面积总是大于由附加转动减少的表面积，最终结果是黑洞的表面积还是增加了。

根据面积定理，两个黑洞可以合并成一个黑洞，合并后的表面积大于合并前各黑洞表面积之和。但是，如果一个大黑洞自发地分裂成两个小黑洞，那么总的表面积将会减少，这和面积定理相违背，因此是不可能发生的。

理论需要实验的证明，而引力波天文学的发展使我们得以验证霍金的面积定理。麻省理工学院天体物理学家团队分析了2015年探测到的第一个引力波信号。他们将数据分成两个时段：合并前和合并后，且分别计算了它们的表面积。结果发现，新形成黑洞的表面积大于两个旧黑洞的表面积之和，实验的置信水平为95%。

黑洞和引力波是广义相对论的结果，而面积定理也是从广义相对论发展而来的。之前引力波的观测结果很好地符合了广义相对论，因此面积定理也不太可能偏离。

霍金的面积定理很好地把黑洞与热力学联系在一起，而霍金辐射则把广义相对论和量子力学联系在一起。由于量子涨落，宇宙中会“凭空”产生一些粒子，通常情况下，这些粒子成对出现并快速结合而湮灭。但是，如果这些粒子出现在黑洞视界附近，其中一个粒子落入黑洞中，另一个粒子自由地逃往宇宙，黑洞就发出了霍金辐射。

霍金辐射会使黑洞的表面积收缩，违反面积定理。不过，由于霍金辐射非常微弱，需要极长的时间才能观察到面积的缩小，因此它不会阻碍实验的进行。