新观测：时空涟漪验证了爱因斯坦的百年理论

对两个黑洞合并的新观测证实了阿尔伯特·爱因斯坦、斯蒂芬·霍金和新西兰科学家罗伊·克尔几十年前的预测的正确性

十年前，科学家们首次探测到来自两颗黑洞相撞所产生的时空涟漪——即引力波。如今，在更精密的观测设备与一点幸运的帮助下，一次全新观测到的黑洞合并事件，为我们迄今最清晰地揭示了黑洞的真实行为，并在此过程中验证了阿尔伯特·爱因斯坦与史蒂芬·霍金的关键理论预言。

最新的观测结果来自激光干涉引力波天文台（LIGO），由纽约市弗拉特艾恩研究所计算天体物理学中心的天体物理学家马克西米利亚诺·伊西（Maximiliano Isi）与威尔·法尔（Will Farr）领衔分析。研究不仅揭示了黑洞的性质与时空的基本结构，还为量子物理与爱因斯坦的广义相对论之间可能的交汇点提供了线索。

“这是迄今最清晰的黑洞本质观测。”同为哥伦比亚大学助理教授的伊西说，“我们找到了迄今最有力的证据，证明天体物理中的黑洞与爱因斯坦广义相对论所预测的黑洞相符。”

这项成果由LIGO–Virgo–KAGRA合作组织近期发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

黑洞和引力波

对于大质量恒星来说，黑洞标志着其生命周期的最后一步。它们的引力如此之大，甚至连光都无法逃脱。当两个黑洞碰撞时，它们会扭曲空间本身并产生引力波，向外穿过宇宙，类似于钟声被撞击后响起的方式。

这些空间变形的涟漪，称为引力波，可以告诉科学家很多关于创造它们的物体的信息。就像一个大的铁钟发出的声音与一个小的铝钟发出的声音不同一样，黑洞合并发出的“声音”是特定于所涉及黑洞的性质的。

解释对黑洞特性的新见解的信息图

科学家利用美国的LIGO、意大利的Virgo以及日本的KAGRA等观测台来探测引力波。这些仪器通过精确测量激光在特定路径上往返所需的时间来工作。当引力波拉伸或压缩时空时，仪器臂长与光的传播时间会发生极其微小的变化，科学家便可由此反推出黑洞的各种参数。

此次报告的引力波源自一次合并事件，最终形成了一个质量相当于63个太阳、每秒自转100次的黑洞。这一发现恰逢LIGO首次探测到黑洞并合的十周年。自2015年的那次划时代观测以来，仪器与技术的提升，让科学家得以更清晰地“捕捉”这些震撼宇宙的事件。

“这对新观测到的黑洞几乎是2015年首例探测的‘双胞胎’，”伊西说，“但仪器更先进了，我们能够以十年前无法做到的方式分析信号。”

借助这次新信号，研究团队得以完整捕捉到从两颗黑洞初次剧烈碰撞到合并后新黑洞稳定下来的全过程——这一切仅在毫秒间完成。

过去，黑洞最终“余振”的信号过于微弱，难以与碰撞瞬间的振铃区分。而现在，科学家首次清晰地分辨出最终黑洞自身的“回响”。

破译黑洞的“曙光”

2021年，伊西曾领导一项研究，提出了一种分离特定频率或“音调”的尖端方法，用于分析2015年那次黑洞合并的数据。那次尝试虽显示了方法的潜力，但当时的数据并不足以验证关于黑洞的一些关键预测。

借助这次更精确的测量，团队确认自己成功分离出了最终稳定下来的黑洞在短短毫秒内发出的信号，从而能够更明确地检验黑洞的本质。

“十毫秒听起来很短，但我们的仪器已经足够精密，这段时间足以让我们深入分析黑洞最终的‘铃声’。”伊西说，“这次探测让我们得以极其细致地观测黑洞并合前后整个信号过程。”

新信号中还捕捉到一个转瞬即逝的“次级音调”，提供了检验著名的克尔（Kerr）解的机会。克尔解是广义相对论中描述旋转黑洞的经典方程，只需质量与自旋两个参数。令人振奋的是，从这一“泛音”推算出的质量与自旋数值与主音调完全一致。这意味着——至少对这个黑洞而言——只需质量与自旋两项特性即可完全描述它的状态。

验证霍金面积定理

这些观测同样检验了一个重要理论：史蒂芬·霍金提出的“面积定理”。该定理认为，黑洞事件视界的面积——即连光都无法逃脱的边界——只能保持不变或增加。要验证这一理论，需要在黑洞合并前后进行极其精确的测量。

2015年LIGO首次探测到黑洞并合后，霍金曾提出是否可利用该信号验证自己的定理。当时几乎没人认为可行。

2019年，霍金去世一年后，随着方法改进，伊西与法尔团队首次给出了初步验证。如今，分辨率提升了四倍的新数据，让科学家更有信心确认霍金定理的正确性。

黑洞与时间之箭

确认霍金定理的结果，也暗示着它与热力学第二定律的关联。第二定律指出，一个系统衡量“无序度”的量——熵——只能随时间增加或保持不变。理解黑洞的热力学行为，可能为包括量子引力在内的其他物理领域带来突破。

“黑洞事件视界的大小与熵的行为相似，这极为深刻。”伊西说，“它具有深远的理论意义，意味着我们可以借助黑洞的某些特性来数学化地探索时空的真正本质。”

许多科学家预计，未来的黑洞并合探测将进一步揭示这些神秘天体的奥秘。未来十年，探测器的灵敏度有望提升十倍，届时将能对黑洞特性进行更严格的检验。

“聆听黑洞发出的‘音调’，是我们了解极端时空性质的最佳途径。”法尔说，他同时是石溪大学教授。“随着更多、更先进的引力波探测器的建设，测量精度将持续提高。”

过去，这个领域长期停留在纯粹数学与理论推测阶段，但现在我们真正亲眼见证了这些惊人的宇宙过程，这充分展示了过去的进步，也预示着未来将有更多突破。