兩個黑洞合并產(chǎn)生的引力波能夠穿越宇宙。圖片來源：Maggie Chiang

激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到兩個黑洞之間異常強(qiáng)烈的碰撞，從而驗(yàn)證了英國理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金在50多年前提出的黑洞面積定理。9月10日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評論快報》。

霍金1971年提出的定理認(rèn)為，兩個黑洞合并時產(chǎn)生的黑洞視界，即連光都無法逃脫控制的邊界，其面積不能小于兩個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)，后者指出，熵或物體內(nèi)部的無序狀態(tài)永遠(yuǎn)不會減少。

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空波動，這些波動以光速穿越宇宙。目前地球上有5個引力波天文臺，包括美國的兩個LIGO探測器，以及意大利的Virgo探測器、日本的KAGRA和德國的GEO600，它們由一個名為LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）的國際合作組織運(yùn)營。

最近的這次碰撞被命名為GW250114，與產(chǎn)生2015年首次觀測到的引力波的那次碰撞幾乎完全相同。這兩次碰撞的黑洞質(zhì)量都在太陽質(zhì)量的30到40倍之間，且發(fā)生在13億光年之外。

這一次，升級后的LIGO探測器的靈敏度是2015年的3倍，因此能夠以前所未有的精度捕獲碰撞產(chǎn)生的引力波。研究人員通過計算證實(shí)黑洞合并后的視界面積確實(shí)變大了，從而驗(yàn)證了霍金的定理。

LVK團(tuán)隊(duì)成員、英國樸茨茅斯大學(xué)的Laura Nuttall表示，當(dāng)黑洞碰撞時，它們會產(chǎn)生像鐘聲一樣的引力波。以前，這些引力波消散得太快，無法清晰地觀察到進(jìn)而計算出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年對首次探測到的碰撞事件進(jìn)行的研究以95%的置信度支持了該理論，但新研究將置信度提高到令人信服的99.999%。

在科學(xué)家觀測引力波的10年里，他們已經(jīng)記錄了大約300次黑洞碰撞。但沒有一次像GW250114那樣如此清晰地捕獲引力波，它的信號是迄今探測到的其他引力波的兩倍。

當(dāng)GW250114的引力波到達(dá)地球時，只有LIGO在運(yùn)行，而LVK合作組織監(jiān)控的其他探測器都沒有運(yùn)行。但這并不影響檢驗(yàn)霍金理論，只是意味著研究人員無法確定這些引力波在宇宙中的起源。

LVK團(tuán)隊(duì)成員、樸茨茅斯大學(xué)的Ian Harry表示，LIGO和其他計劃中的天文臺的升級版將在未來上線，這將帶來更高的靈敏度，使他們能夠更深入地研究黑洞物理學(xué)。“我們可能無法捕捉所有信號，但還會再次遇到這樣的事件。下一輪升級也許在2028年，我們會看到類似事件，也許那時的靈敏度將達(dá)到我們可以真正進(jìn)行深入探究的程度。”

這些發(fā)現(xiàn)為量子引力研究開辟了新道路，物理學(xué)家希望通過量子引力統(tǒng)一廣義相對論和量子物理學(xué)。Nuttall說，最新結(jié)果表明，廣義相對論和量子力學(xué)能夠繼續(xù)很好地協(xié)同工作，但未來預(yù)計會出現(xiàn)一些差異。

來自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20世紀(jì)60年代提出的方程，該方程預(yù)測黑洞僅能通過兩個指標(biāo)來表征：質(zhì)量和自旋。本質(zhì)上，兩個具有相同質(zhì)量和自旋的黑洞在數(shù)學(xué)上是相同的。對GW250114的觀測顯示，這是真的。

來源：《中國科學(xué)報》

編輯：任斐

審核：管林忠

終審：韓俊亮