事件視界永遠不會縮小,觀測首度證實霍金黑洞面積定理

作者 | 發布日期 2021 年 07 月 05 日 15:49 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


即使是宇宙最極端的物體,也必須遵守某些物理規則。50 年前,理論物理學家史蒂芬·霍金根據廣義相對論推導並證明「黑洞面積永不縮小」,現在科學家首透過重力波觀測證實該理論,在兩個黑洞合併成新黑洞的 GW150914 事件中,事件視界總面積確實沒有減少。

黑洞周遭沒有任何事物可以逃脫的邊界稱為事件視界(event horizon),1971 年時,霍金利用數學公式證明黑洞視界表面積永遠不會隨時間推移而減少,也就是如果有 2 個黑洞合併形成新黑洞,則後者面積不會小於原先 2 個黑洞面積之和。

接著,當年還只是名學生的以色列裔美國理論物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)借用霍金黑洞面積永不減小理論,進一步提出黑洞熵概念,指出黑洞表面積與它的熵成正比,如此一來黑洞視界表面積成為了黑洞熵(entropy)的量度,而因為黑洞隨著時間推移吞噬更多物質,質量與表面積皆增加,因此熵也會跟著持續增加,如此便不會違反熱力學第二定律,即封閉系統的熵(無序)不會隨時間減少。

雖然黑洞隨著尺寸增長轉速也會加快,因自旋增加會導致事件視界表面積減少,但霍金認為黑洞質量增加的表面積永遠大於自旋引起的表面積減少。

2016 年,LIGO 宣布於 2015 年探測到人類史上第一個重力波訊號 GW150914,來自雙黑洞合併,霍金聽聞此消息後立刻聯絡上 LIGO 聯合創始人之一、美國理論物理學家基普·索恩(Kip Thorne),詢問該檢測是否能夠證實黑洞面積不減定理。

然而當年,研究人員還沒有能力從訊號中挑選恰當數據來檢驗,直到現在,麻省理工學院 Maximiliano Isi 團隊開發一項技術來提取 GW150914 峰值之後的殘響(reverberation),挑出特定頻率計算出新黑洞的質量與自旋,藉由這些資訊可進一步得知黑洞合併前後的表面積變化。

最終結果出爐,研究人員算出 2 個黑洞合併前事件視界總面積約 235,000 平方公里(約台灣面積 6.5 倍);黑洞合併後事件視界面積則增加到 367,000 平方公里(約台灣面積 10.1 倍),以壓倒性的數據證明霍金黑洞面積不減定理。

可惜的是霍金已於 2018 年離世,沒能親自見證 LIGO 數據佐證了他此生心血之一。

不過值得注意的是,黑洞事件視界面積應該是「短期內」不會減少,真正的謎團在科學家嘗試結合廣義相對論(大物體遵循的物理規則)與量子力學(極小物體遵循的物理規則)後才剛剛開始。

根據廣義相對論,黑洞不會縮小;但若根據量子力學,則黑洞會透過奇怪量子效應自邊緣散發熱輻射,也就是霍金後來提出的另一個定理「霍金輻射」,後者指出黑洞將在很久很久以後(當今宇宙年齡的數倍)蒸發殆盡,也就是說黑洞的事件視界面積很久之後還是會縮小,違反了現在的黑洞面積不減定理。

也許短期內不會見證黑洞蒸發,對物理學家來說是一個小小安慰?新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:加州理工學院