仅仅1项发现，就验证了爱因斯坦100年前预言，和霍金50年前的理论

2015年9月14日，是天文学历史上一个重要的日子。这一天，天文学家们取得了一项重要的发现，这个发现验证了爱因斯坦在一百年前提出的预言，那就是引力波。其名称为GW150914。

令人惊喜的是，这次发现不仅仅验证了爱因斯坦百年前的预言，甚至在最近，还验证了另一位著名物理学家在50年前的预言，那就是霍金的面积定理。

一次发现，验证了两个科学家的预言，厉害了。

所谓的面积定理，是霍金在整整50年前，也就是1971年时提出的理论。它描述的，是黑洞的事件视界。黑洞的引力，取决于它的质量。质量越大的黑洞，就能够吞噬更远的物质，甚至是光线。对于一个黑洞来说，所有途经某些区域的光都会被吞噬的范围，就是黑洞的事件视界。

面积定理指出：一个黑洞的事件视界的表面积只能增加，而不会减小。这个理论并不是很难理解，因为事件视界的半径与黑洞质量是相关的，黑洞的质量会通过吞噬而不断增加，事件视界自然也就会越来越大。

这个定理，听起来有点类似于热力学第二定律。后者可以表述为：描述一个系统混乱程度的物理量——熵在自发条件下只会增加，而不会减少。也就是说，在没有外界能量输入的情况下，一个封闭系统内只会越来越混乱。实际上，对于黑洞来说，也的确有熵的概念，而且也是与事件视界的表面积成正比的。

从数学的角度来分析，这样的理论也算是顺理成章了。但是，对于天文学家来说，想要通过实际的观测来证明，难度就非常大了。黑洞的事件视界隐藏在宇宙空间中，不会释放出任何的光，这让我们根本无法直接探测。

引力波的出现，解决了这个难题。

1916年，在提出广义相对论的第二年，爱因斯坦预言了引力波的存在。直到整整100年后的2016年，科学家们宣布了在2015年9月14日正式观测到了宇宙中的引力波GW150914，验证了爱因斯坦的预言。

根据爱因斯坦的理论，大质量天体会拖曳周围的空间。当两个大质量天体碰撞时，就会掀起时空的涟漪，跨越几十甚至一百亿光年的距离，被我们观测到。

这样的观测的确可行，但难度非常巨大，所以在预言被提出的一百年后，科学家才通过先进的的引力波探测实验激光干涉引力波天文台（LIGO）以及室女座干涉仪（Virgo），在人类历史上首次捕获了来自于两个黑洞碰撞所产生的引力波。对于“漆黑”的黑洞来说，引力波是探测并了解它们的最有效手段。

GW150914的发现对人类来说，具有里程碑式的意义，打开了探测黑洞以及其他致密星的新大门。而它带给我们的惊喜，还不止如此。

2019年的时候，麻省理工学院卡夫里天体物理学和空间研究所的天体物理学家Maximiliano Isi和他的同事们对引力波的分析方法进行了研究。经过坚持不懈的努力，他们终于找到了一种分析手段，能够通过引力波计算出黑洞的质量和自转等属性。

从原始的两个黑洞，到并合之后形成的新黑洞，他们都可以通过质量和自转计算出它们的事件视界，这就是验证霍金的面积定理的最佳方法。如果这个理论是正确的，那么两个原始黑洞的面积之和应该小于新的黑洞。

观测和计算的结果表明，两个原始的黑洞事件视界的表面积之和是23.5万平方公里，二者并合而成的新黑洞表面积为36.7万平方公里。终于，研究人员从实际观测的角度，证明了霍金的这个理论。

Isi说道：“这个数据就是强有力的证据，证明了事件视界的面积在并合之后增加了，面积定理极好地得到了印证。令人满意的是，我们的结果和预期中的模板高度相符，也符合我们对这种复杂的黑洞并合的理解。”

他还说：“很可能致密天体拥有着五花八门的类型，虽然有一些是遵从爱因斯坦和霍金的理论的，但还有一些黑洞可能是有所不同的怪兽。因此，这样的研究几乎不能说是一劳永逸了，在做了一次研究时，才仅仅是个开始。”

有趣的是，霍金不仅预言了黑洞的事件视界表面积永远是增加的，而且还预言了事件视界表面积可能减少。也就是说，他自己一个人就进行了两个看起来完全相反的预言。

实际上，这两个预言，来自于不同的理论。他根据量子力学的理论，预言了黑洞的另外一种特性，那就是霍金辐射，也就是通常所说的黑洞蒸发。这个过程非常漫长，所以通常会被我们忽略。但是，如果将时间尺度拉得足够长，黑洞会通过霍金辐射的现象损失质量，这也就意味着事件视界表面积的减少。

不论是哪种理论，都有待于科学家们的进一步验证。不论是爱因斯坦还是霍金的理论，都有一些是直到今天人类还无法验证的。因此，Isi等人的这一次研究，除了首次验证了霍金的面积定理之外，还开发了一种新的研究方法，帮助未来的科学家们对引力波进行分析，从而获得更多关于黑洞及其理论的知识。

相信随着人类的发展，除了望远镜变得越来越强大之外，计算的方法也会越来越精进。只有双管齐下，才更有机会了解宇宙和一些天体最极端的秘密。不论是爱因斯坦、霍金还是其他科学家的高深理论，终有被人类全部证实的一天。