艺术家对两个黑洞即将碰撞和合并的印象。

研究提供了基于引力波的证据，表明黑洞事件视界的总面积永远不会减少。

有些规则，即使是宇宙中最极端的物体也必须遵守。黑洞的中央定律预测，黑洞事件视界的区域——超越它无法逃脱的边界——不应该缩小。这项法律是霍金的区域定理，以物理学家斯蒂芬·霍金的名字命名，霍金于1971年得出了定理。

五十年后，麻省理工学院和其他地方的物理学家首次利用引力波的观测结果确认了霍金的区域定理。他们的研究结果今天（2021年7月1日）刊登在《物理评论信》上。

在这项研究中，研究人员仔细观察了GW150914，这是激光干涉仪引力波观测站（LIGO）在2015年探测到的第一个引力波信号。该信号是两个具有灵感的黑洞的产物，这些黑洞产生了一个新的黑洞，以及大量能量，这些能量随着引力波在时空波涛中波及。

如果霍金的区域定理成立，那么新黑洞的地平线区域不应小于其母黑洞的总地平线面积。在新的研究中，物理学家重新分析了宇宙碰撞前后GW150914发出的信号，发现合并后整个事件视界区域确实没有减少，结果他们以95%的置信度报告。

麻省理工学院和其他地方的物理学家首次利用引力波观测确认霍金的黑洞区域定理。这个计算机模拟显示了产生引力波信号GW150914的两个黑洞的碰撞。信用：模拟电子时空（SXS）项目。信用： 利戈的礼貌

他们的发现标志着霍金区域定理的首次直接观测确认，该定理已被数学证明，但直到现在才在自然界中得到观察。研究小组计划测试未来的引力波信号，看看它们是否会进一步确认霍金定理，或者成为新的、有规律的物理学的标志。

麻省理工学院卡夫利天体物理学和空间研究所的美国宇航局爱因斯坦博士后研究员马克西米利亚诺·伊西说："有可能有一个不同紧凑物体的动物园，虽然其中有些是遵循爱因斯坦和霍金定律的黑洞，但其他黑洞可能是略有不同的野兽。"所以，这不像你做这个测试一次，它结束了。你这样做一次，这是开始。

伊西的合著者是石溪大学的威尔·法尔和弗拉铁研究所的计算天体物理学中心、康奈尔大学的马修·吉斯勒、加州理工学院的马克·舍尔以及康奈尔大学和加州理工学院的索尔·特科尔斯基。

1971年，史蒂芬·霍金提出了这个区域定理，这引发了一系列关于黑洞力学的基本见解。定理预测黑洞事件视界的总面积——以及宇宙中所有的黑洞——永远不会减少。该声明与热力学的第二定律有着奇怪的相似之处，该定律指出，物体内的熵或紊乱程度也绝不应降低。

这两种理论的相似性表明，黑洞可以充当热、发热的物体——这是一个令人费解的命题，因为黑洞就其本质而言，被认为永远不会让能量逸出或辐射。霍金最终在1974年提出了这两个观点，表明如果考虑到黑洞的量子效应，黑洞可能会在很长一段时间内产生熵和辐射。这种现象被称为"霍金辐射"，仍然是关于黑洞最根本的启示之一。

"这一切都始于霍金意识到黑洞的总地平线区域永远不会下降，"Isi说。区域法概括了 70 年代的黄金时代，在那里产生了所有这些见解。

霍金等人已经表明，这个区域定理在数学上是可行的，但是直到LIGO首次探测到引力波，才无法根据自然来检验它。

霍金在得知结果后，迅速联系了LIGO联合创始人、加州理工学院理论物理教授基普·索恩。他的问题：检测能证实区域定理吗？

当时，研究人员没有能力在合并前后在信号中挑选出必要的信息，以确定最终的地平线区域是否没有像霍金定理所假设的那样减少。直到几年后，Isi 和他的同事才开发出一种技术，以测试区域法。

2019年，Isi和他的同事开发出一种技术，在GW150914的峰值之后立即提取回响——此时，两个母黑洞相撞形成一个新的黑洞。研究小组使用这项技术来挑选出特定频率，或噪音后果的音调，他们可以用来计算最终黑洞的质量和自旋。

黑洞的质量和自旋与其事件视界的区域直接相关，索恩回忆起霍金的询问，跟他们进行了跟进：他们能否使用同样的技术来比较合并前后的信号，并确认区域定理？

研究人员接受了挑战，并再次将GW150914信号分裂到峰值。他们开发了一个模型，在峰值前分析信号，对应两个有灵感的黑洞，并在两个黑洞合并前识别它们的质量和自旋。根据这些估计，他们计算了他们的总地平线面积——估计大约相当于23.5万平方公里，大约是马萨诸塞州面积的9倍。

然后，他们使用以前的技术提取新形成的黑洞的"环下"或回响，从中计算其质量和自旋，并最终计算其地平线面积，他们发现该面积相当于367，000平方公里（大约是湾州面积的13倍）。

三军情报局说："数据以压倒性的信心表明，合并后地平线区域有所增加，而且地区法律对极高的可能性感到满意。"我们的结果确实符合我们期望的范式，这确实证实了我们对这些复杂的黑洞合并的理解，这让我们松了一口气。

研究小组计划利用来自LIGO和处女座的数据，进一步测试霍金的区域定理，以及其他长期存在的黑洞力学理论。

三军情报局说："令人鼓舞的是，我们可以以新的、创造性的方式思考引力波数据，并提出我们认为以前无法回答的问题。"我们可以不断戏弄一些信息，这些信息直接说明了我们认为我们理解的支柱。有一天，这些数据可能会揭示出我们意想不到的东西。