2015年9月14日，是天文學(xué)歷史上一個重要的日子。這一天，天文學(xué)家們?nèi)〉昧艘豁椫匾陌l(fā)現(xiàn)，這個發(fā)現(xiàn)驗證了愛因斯坦在一百年前提出的預(yù)言，那就是引力波。其名稱為GW150914。
令人驚喜的是，這次發(fā)現(xiàn)不僅僅驗證了愛因斯坦百年前的預(yù)言，甚至在最近，還驗證了另一位著名物理學(xué)家在50年前的預(yù)言，那就是霍金的面積定理。
一次發(fā)現(xiàn)，驗證了兩個科學(xué)家的預(yù)言，厲害了。
所謂的面積定理，是霍金在整整50年前，也就是1971年時提出的理論。它描述的，是黑洞的事件視界。黑洞的引力，取決于它的質(zhì)量。質(zhì)量越大的黑洞，就能夠吞噬更遠(yuǎn)的物質(zhì)，甚至是光線。對于一個黑洞來說，所有途經(jīng)某些區(qū)域的光都會被吞噬的范圍，就是黑洞的事件視界。
面積定理指出：一個黑洞的事件視界的表面積只能增加，而不會減小。這個理論并不是很難理解，因為事件視界的半徑與黑洞質(zhì)量是相關(guān)的，黑洞的質(zhì)量會通過吞噬而不斷增加，事件視界自然也就會越來越大。
這個定理，聽起來有點類似于熱力學(xué)第二定律。后者可以表述為：描述一個系統(tǒng)混亂程度的物理量——熵在自發(fā)條件下只會增加，而不會減少。也就是說，在沒有外界能量輸入的情況下，一個封閉系統(tǒng)內(nèi)只會越來越混亂。實際上，對于黑洞來說，也的確有熵的概念，而且也是與事件視界的表面積成正比的。
從數(shù)學(xué)的角度來分析，這樣的理論也算是順理成章了。但是，對于天文學(xué)家來說，想要通過實際的觀測來證明，難度就非常大了。黑洞的事件視界隱藏在宇宙空間中，不會釋放出任何的光，這讓我們根本無法直接探測。
引力波的出現(xiàn)，解決了這個難題。
1916年，在提出廣義相對論的第二年，愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在。直到整整100年后的2016年，科學(xué)家們宣布了在2015年9月14日正式觀測到了宇宙中的引力波GW150914，驗證了愛因斯坦的預(yù)言。
根據(jù)愛因斯坦的理論，大質(zhì)量天體會拖曳周圍的空間。當(dāng)兩個大質(zhì)量天體碰撞時，就會掀起時空的漣漪，跨越幾十甚至一百億光年的距離，被我們觀測到。
這樣的觀測的確可行，但難度非常巨大，所以在預(yù)言被提出的一百年后，科學(xué)家才通過先進(jìn)的的引力波探測實驗激光干涉引力波天文臺（LIGO）以及室女座干涉儀（Virgo），在人類歷史上首次捕獲了來自于兩個黑洞碰撞所產(chǎn)生的引力波。對于“漆黑”的黑洞來說，引力波是探測并了解它們的最有效手段。
GW150914的發(fā)現(xiàn)對人類來說，具有里程碑式的意義，打開了探測黑洞以及其他致密星的新大門。而它帶給我們的驚喜，還不止如此。
2019年的時候，麻省理工學(xué)院卡夫里天體物理學(xué)和空間研究所的天體物理學(xué)家Maximiliano Isi和他的同事們對引力波的分析方法進(jìn)行了研究。經(jīng)過堅持不懈的努力，他們終于找到了一種分析手段，能夠通過引力波計算出黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)等屬性。
從原始的兩個黑洞，到并合之后形成的新黑洞，他們都可以通過質(zhì)量和自轉(zhuǎn)計算出它們的事件視界，這就是驗證霍金的面積定理的最佳方法。如果這個理論是正確的，那么兩個原始黑洞的面積之和應(yīng)該小于新的黑洞。
觀測和計算的結(jié)果表明，兩個原始的黑洞事件視界的表面積之和是23.5萬平方公里，二者并合而成的新黑洞表面積為36.7萬平方公里。終于，研究人員從實際觀測的角度，證明了霍金的這個理論。
Isi說道：“這個數(shù)據(jù)就是強有力的證據(jù)，證明了事件視界的面積在并合之后增加了，面積定理極好地得到了印證。令人滿意的是，我們的結(jié)果和預(yù)期中的模板高度相符，也符合我們對這種復(fù)雜的黑洞并合的理解?！?/p>
他還說：“很可能致密天體擁有著五花八門的類型，雖然有一些是遵從愛因斯坦和霍金的理論的，但還有一些黑洞可能是有所不同的怪獸。因此，這樣的研究幾乎不能說是一勞永逸了，在做了一次研究時，才僅僅是個開始?！?/p>
有趣的是，霍金不僅預(yù)言了黑洞的事件視界表面積永遠(yuǎn)是增加的，而且還預(yù)言了事件視界表面積可能減少。也就是說，他自己一個人就進(jìn)行了兩個看起來完全相反的預(yù)言。
實際上，這兩個預(yù)言，來自于不同的理論。他根據(jù)量子力學(xué)的理論，預(yù)言了黑洞的另外一種特性，那就是霍金輻射，也就是通常所說的黑洞蒸發(fā)。這個過程非常漫長，所以通常會被我們忽略。但是，如果將時間尺度拉得足夠長，黑洞會通過霍金輻射的現(xiàn)象損失質(zhì)量，這也就意味著事件視界表面積的減少。
不論是哪種理論，都有待于科學(xué)家們的進(jìn)一步驗證。不論是愛因斯坦還是霍金的理論，都有一些是直到今天人類還無法驗證的。因此，Isi等人的這一次研究，除了首次驗證了霍金的面積定理之外，還開發(fā)了一種新的研究方法，幫助未來的科學(xué)家們對引力波進(jìn)行分析，從而獲得更多關(guān)于黑洞及其理論的知識。
相信隨著人類的發(fā)展，除了望遠(yuǎn)鏡變得越來越強大之外，計算的方法也會越來越精進(jìn)。只有雙管齊下，才更有機會了解宇宙和一些天體最極端的秘密。不論是愛因斯坦、霍金還是其他科學(xué)家的高深理論，終有被人類全部證實的一天。
