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霍金关于黑洞的著名理论得到证实

霍金于1971年从爱因斯坦的广义相对论中推导出的黑洞面积定理指出,黑洞的表面积不可能随时间减少。这条定理引起了物理学家们的兴趣,因为它与另一个设定在时间上的定律——热力学第二定律密切相关,即封闭系统的熵或无序必须总是增加的。因为黑洞的熵与其表面积成正比,所以两者都必须始终增加。

  • 人类历史上拍摄的首张黑洞照片

奇怪的是,面积定律似乎与霍金的另一个已被证明的定理相矛盾,即黑洞应在极长的时间尺度内蒸发。因此,找出两种理论之间矛盾的根源可以揭示新的物理学。

黑洞面积定理的验证

为了验证这一理论,研究人员分析了13 亿年前由两个庞然大物的黑洞在高速相互旋转时产生的引力波,它是由高级激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 在 2015 年探测到的,LIGO是一束长1,864英里(3,000 公里)的激光束,天文学家们能够通过它们路径的改变来检测时空中最轻微的扭曲。

  • 模拟显示的两个黑洞在相互盘旋时发出的引力波

通过将信号分成两半——黑洞合并之前的和合并之后的,研究人员计算了两个原始黑洞和新组合黑洞的质量和自旋,反过来,这些数字使他们能够计算碰撞前后每个黑洞的表面积。经过计算,新产生的黑洞的表面积大于最初两个黑洞的表面积之和,以超过 95%的置信度证实了霍金的黑洞面积定律。

广义相对论和量子力学的碰撞

真正的谜团始于科学家们尝试将广义相对论(大物体的规则)与量子力学(微小物体的规则)结合起来,根据广义相对论,黑洞不能收缩,但根据量子力学,它们则可以。这也导致了黑洞面积定理和霍金辐射理论的矛盾。

一定条件下的适用

为了解决这一矛盾性,科学家们对面积定理设置了中短时间的限制框架。这就像烧开水,锅里有蒸汽蒸发,但如果我们只盯着锅里消失的水,可能会说锅的熵在减少,但如果考虑到蒸汽,它整体的熵是增加的,黑洞面积定理和霍金辐射也是如此。

物理定理永远是这么令人着迷,因为非常神秘和令人困惑,有时还充满矛盾。

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