霍金的大膽理論被有史以來(lái)最響亮的黑洞碰撞所證實(shí)

十年前，科學(xué)家們第一次聽(tīng)到宇宙隆隆作響。那引力波的首次發(fā)現(xiàn)證明了阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的理論的關(guān)鍵預(yù)測(cè)廣義相對(duì)論并開(kāi)啟了天文學(xué)的新時(shí)代。

現(xiàn)在，一項(xiàng)新的引力波發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著這一重大突破的周年紀(jì)念日。今天發(fā)表于物理評(píng)論快報(bào)，它測(cè)試了另一個(gè)科學(xué)巨人的理論，斯蒂芬·霍金.

什么是引力波？

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

相關(guān)：狂野的新理論表明引力波塑造了宇宙

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(tái) （利戈）探測(cè)器。

第一個(gè)信號(hào)，稱為GW150914，起源于兩個(gè)黑洞的碰撞，每個(gè)黑洞的質(zhì)量都是太陽(yáng)的30倍以上，距離地球超過(guò)十億光年。

這是引力波的第一個(gè)直接證明，正如 100 年前愛(ài)因斯坦相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致授予2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)感謝 Rainer Weiss、Barry Barish 和 Kip Thorne 在 LIGO 合作方面的開(kāi)創(chuàng)性工作。

不到十年的時(shí)間內(nèi)發(fā)出數(shù)百個(gè)信號(hào)

自 2015 年以來(lái)，LIGO 已觀測(cè)到 300 多個(gè)引力波，以及意大利處女座和日本卡格拉探測(cè)器。

就在幾周前，國(guó)際 LIGO/Virgo/KAGRA 合作發(fā)布了他們第四次觀測(cè)的最新結(jié)果，使已知引力波的數(shù)量增加了一倍多。

現(xiàn)在，在首次發(fā)現(xiàn)十年后，包括澳大利亞研究委員會(huì)卓越中心的澳大利亞科學(xué)家在內(nèi)的國(guó)際合作引力波發(fā)現(xiàn) （奧茲重力），宣布了一種新的引力波信號(hào) GW250114。

該信號(hào)幾乎是第一個(gè)引力波信號(hào)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(guò)去十年引力波探測(cè)器的重大升級(jí)，新信號(hào)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(cè)試另一位開(kāi)創(chuàng)性物理學(xué)家的想法。

霍金也是對(duì)的

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

霍金黑洞力學(xué)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(shuō)，黑洞不能縮小。

與此同時(shí)，貝肯斯坦表明，黑洞的面積與其熵直接相關(guān)，熵是無(wú)序的科學(xué)衡量標(biāo)準(zhǔn)。第二定律熱力學(xué)告訴我們熵必須永遠(yuǎn)增加：宇宙總是越來(lái)越混亂。由于黑洞的熵也必須隨著時(shí)間的推移而增加，它告訴我們它的面積也必須增加。

我們?nèi)绾螜z驗(yàn)這些想法？事實(shí)證明，碰撞黑洞是完美的工具。

最近這項(xiàng)測(cè)量的精確性使科學(xué)家能夠?qū)艚鹈娣e定理進(jìn)行迄今為止最精確的測(cè)試。

以前使用第一個(gè)檢測(cè)進(jìn)行測(cè)試，GW150914，表明信號(hào)與霍金定律非常吻合，但無(wú)法最終證實(shí)。

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

通過(guò)分別測(cè)量來(lái)襲的一對(duì)黑洞的質(zhì)量和自旋，并將其與碰撞后留下的最終黑洞的質(zhì)量和自旋進(jìn)行比較，科學(xué)家們能夠?qū)蓚€(gè)單獨(dú)碰撞的黑洞的面積與最終黑洞的面積進(jìn)行比較。

數(shù)據(jù)與該面積應(yīng)該增加的理論預(yù)測(cè)非常吻合，毫無(wú)疑問(wèn)地證實(shí)了霍金定律。

接下來(lái)，我們將考驗(yàn)?zāi)奈豢茖W(xué)巨人？未來(lái)的引力波觀測(cè)將使我們能夠測(cè)試更多奇特的科學(xué)理論，甚至可能探測(cè)宇宙中缺失成分的性質(zhì)——暗物質(zhì)和暗能量.

西蒙·史蒂文森， ARC DECRA 研究員，斯威本科技大學(xué)

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