去世3年後,霍金在50年前提出的預言,終於被驗證了

奇趣     2021年07月05日

2015年9月14日,是天文學歷史上一個重要的日子。這一天,天文學家們取得了一項重要的發現,這個發現驗證了愛因斯坦在一百年前提出的預言,那就是引力波。其名稱為GW150914。

令人驚喜的是,這次發現不僅僅驗證了愛因斯坦百年前的預言,甚至在最近,還驗證了另一位著名物理學家在50年前的預言,那就是霍金的面積定理。

一次發現,驗證了兩個科學家的預言,厲害了。

去世3年後,霍金在50年前提出的預言,終於被驗證了

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,取決於它的質量。質量越大的黑洞,就能夠吞噬更遠的物質,甚至是光線。對於一個黑洞來說,所有途經某些區域的光都會被吞噬的範圍,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。這個理論並不是很難理解,因為事件視界的半徑與黑洞質量是相關的,黑洞的質量會通過吞噬而不斷增加,事件視界自然也就會越來越大。

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這個定理,聽起來有點類似於熱力學第二定律。後者可以表述為:描述一個系統混亂程度的物理量——熵在自發條件下只會增加,而不會減少。也就是說,在沒有外界能量輸入的情況下,一個封閉系統內只會越來越混亂。實際上,對於黑洞來說,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。

從數學的角度來分析,這樣的理論也算是順理成章了。但是,對於天文學家來說,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,解決了這個難題。

去世3年後,霍金在50年前提出的預言,終於被驗證了

1916年,在提出廣義相對論的第二年,愛因斯坦預言了引力波的存在。直到整整100年後的2016年,科學家們宣布了在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言。

根據愛因斯坦的理論,大質量天體會拖曳周圍的空間。當兩個大質量天體碰撞時,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,所以在預言被提出的一百年後,科學家才通過先進的的引力波探測實驗雷射干涉引力波天文台(LIGO)以及室女座干涉儀(Virgo),在人類歷史上首次捕獲了來自於兩個黑洞碰撞所產生的引力波。對於「漆黑」的黑洞來說,引力波是探測並了解它們的最有效手段。

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GW150914的發現對人類來說,具有里程碑式的意義,打開了探測黑洞以及其他緻密星的新大門。而它帶給我們的驚喜,還不止如此。

2019年的時候,麻省理工學院卡夫里天體物理學和空間研究所的天體物理學家Maximiliano Isi和他的同事們對引力波的分析方法進行了研究。經過堅持不懈的努力,他們終於找到了一種分析手段,能夠通過引力波計算出黑洞的質量和自轉等屬性。

從原始的兩個黑洞,到併合之後形成的新黑洞,他們都可以通過質量和自轉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,那麼兩個原始黑洞的面積之和應該小於新的黑洞。

去世3年後,霍金在50年前提出的預言,終於被驗證了

觀測和計算的結果表明,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,二者併合而成的新黑洞表面積為36.7萬平方公里。終於,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:「這個數據就是強有力的證據,證明了事件視界的面積在併合之後增加了,面積定理極好地得到了印證。令人滿意的是,我們的結果和預期中的模板高度相符,也符合我們對這種複雜的黑洞併合的理解。」

他還說:「很可能緻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。」

去世3年後,霍金在50年前提出的預言,終於被驗證了

有趣的是,霍金不僅預言了黑洞的事件視界表面積永遠是增加的,而且還預言了事件視界表面積可能減少。也就是說,他自己一個人就進行了兩個看起來完全相反的預言。

實際上,這兩個預言,來自於不同的理論。他根據量子力學的理論,預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。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象損失質量,這也就意味著事件視界表面積的減少。

去世3年後,霍金在50年前提出的預言,終於被驗證了

不論是哪種理論,都有待於科學家們的進一步驗證。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,還開發了一種新的研究方法,幫助未來的科學家們對引力波進行分析,從而獲得更多關於黑洞及其理論的知識。

相信隨著人類的發展,除瞭望遠鏡變得越來越強大之外,計算的方法也會越來越精進。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、霍金還是其他科學家的高深理論,終有被人類全部證實的一天。