霍金的大膽理論被有史以來最響亮的黑洞碰撞所證實

十年前，科學家們第一次聽到宇宙隆隆作響。那引力波的首次發現證明了阿爾伯特·愛因斯坦的理論的關鍵預測廣義相對論并開啟了天文學的新時代。

現在，一項新的引力波發現標志著這一重大突破的周年紀念日。今天發表于物理評論快報，它測試了另一個科學巨人的理論，斯蒂芬·霍金.

什么是引力波？

引力波是結構中的“漣漪”時空以光速傳播。它們是由高度加速的大質量物體引起的，例如碰撞黑洞或者被稱為中子星的大質量恒星遺骸的合并。

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這些在宇宙中傳播的漣漪于 2015 年 9 月 14 日首次由雙激光干涉儀引力波天文臺 （利戈）探測器。

第一個信號，稱為GW150914，起源于兩個黑洞的碰撞，每個黑洞的質量都是太陽的30倍以上，距離地球超過十億光年。

這是引力波的第一個直接證明，正如 100 年前愛因斯坦相對論所預測的那樣。這一發現導致授予2017年諾貝爾物理學獎感謝 Rainer Weiss、Barry Barish 和 Kip Thorne 在 LIGO 合作方面的開創性工作。

不到十年的時間內發出數百個信號

自 2015 年以來，LIGO 已觀測到 300 多個引力波，以及意大利處女座和日本卡格拉探測器。

就在幾周前，國際 LIGO/Virgo/KAGRA 合作發布了他們第四次觀測的最新結果，使已知引力波的數量增加了一倍多。

現在，在首次發現十年后，包括澳大利亞研究委員會卓越中心的澳大利亞科學家在內的國際合作引力波發現 （奧茲重力），宣布了一種新的引力波信號 GW250114。

該信號幾乎是第一個引力波信號的翻版，GW150914。

這黑洞造成GW250114的碰撞具有與GW150914非常相似的物理特性。然而，由于過去十年引力波探測器的重大升級，新信號的觀察更加清晰（幾乎是GW150914的四倍）。

令人興奮的是，它讓我們能夠測試另一位開創性物理學家的想法。

霍金也是對的

50多年前，物理學家斯蒂芬·霍金和雅各布·貝肯斯坦獨立制定了一套法律描述黑洞。

霍金黑洞力學第二定律，也稱為霍金面積定理，指出黑洞的事件視界面積必須始終增加。換句話說，黑洞不能縮小。

與此同時，貝肯斯坦表明，黑洞的面積與其熵直接相關，熵是無序的科學衡量標準。第二定律熱力學告訴我們熵必須永遠增加：宇宙總是越來越混亂。由于黑洞的熵也必須隨著時間的推移而增加，它告訴我們它的面積也必須增加。

我們如何檢驗這些想法？事實證明，碰撞黑洞是完美的工具。

最近這項測量的精確性使科學家能夠對霍金面積定理進行迄今為止最精確的測試。

以前使用第一個檢測進行測試，GW150914，表明信號與霍金定律非常吻合，但無法最終證實。

黑洞是令人驚訝的簡單物體。黑洞的地平線面積取決于其質量和自旋，這是描述天體物理黑洞的唯一必要參數。反過來，質量和自旋決定了引力波的樣子。

通過分別測量來襲的一對黑洞的質量和自旋，并將其與碰撞后留下的最終黑洞的質量和自旋進行比較，科學家們能夠將兩個單獨碰撞的黑洞的面積與最終黑洞的面積進行比較。

數據與該面積應該增加的理論預測非常吻合，毫無疑問地證實了霍金定律。

接下來，我們將考驗哪位科學巨人？未來的引力波觀測將使我們能夠測試更多奇特的科學理論，甚至可能探測宇宙中缺失成分的性質——暗物質和暗能量.

西蒙·史蒂文森， ARC DECRA 研究員，斯威本科技大學

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