验证霍金“黑洞面积定律”

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（来源：新华日报）

□ 本报记者 蔡姝雯

近日，中国科学院紫金山天文台牵头的科研团队在引力波天文学领域取得进展，利用引力波事件GW230814以高统计置信度直接验证了霍金提出的“黑洞面积定律”。该成果于1月7日正式发表在国际知名学术期刊Science Bulletin（《科学通报》）。

1971年，著名物理学家霍金提出的“黑洞面积定律”指出，在经典物理过程中，黑洞事件视界的总面积始终不会减少。也就是说，即便两个黑洞碰撞融合，新黑洞的“表面积”也一定不会小于原来两个的总和。

这一定律构成了黑洞热力学的基石。然而，在2015年引力波被首次成功探测之前，该理论预言一直未被直接且定量的天文观测验证。引力波天文学的诞生，特别是频繁探测到的双黑洞并合事件，为在强场、动态时空中检验这一定律提供了前所未有的“宇宙实验室”。

双黑洞并合产生的时空涟漪，会携带黑洞质量、自旋等关键信息，就像宇宙发来的“加密电报”。紫金山天文台唐少鹏副研究员介绍，双黑洞并合过程一般可分为旋近、并合与铃宕三个阶段，其中并合阶段非常复杂，是最有可能出现新物理或偏离广义相对论的时期，而旋近（相互绕转靠近）和铃宕（新黑洞振荡稳定）阶段的引力波辐射信号则被认为能够由广义相对论可靠描述。

去年8月，科研团队便把目光锁定在第四期引力波源目录中的GW230814事件。这个被LIGO利文斯顿探测器捕捉到的信号，堪称验证面积定律的“理想样本”——它的信噪比极高，意味着信号波形清晰；其黑洞质量与自旋参数恰到好处，让并合前后的信号都能在探测器频段内保持足够强度。这使得科学家能分别从旋近阶段推断出两个原始黑洞的参数，再从铃宕阶段推断出新黑洞的参数，为面积对比创造了条件。

研究团队开展全面分析，不仅计算了并合前后的事件视界面积，还系统排查了天空定位误差、波形模板的系统误差等多项不确定性因素，确保结果的可靠性。

该研究最终结果给出了强有力的答案：并合后黑洞的事件视界面积大于并合前两个黑洞的事件视界面积之和，统计置信度可达4.1σ。在物理学中，3σ代表“有证据支持”，5σ称得上“发现”，而4.1σ的置信度意味着这一结果的高可靠性。

“这不仅是对‘黑洞面积定律’的直接验证，更进一步证明了广义相对论在黑洞并合这一强场、动力学极端过程中的有效性与自洽性，并间接支持了‘宇宙监督假设’等黑洞基础理论。”唐少鹏解释道。这项研究还为未来探索黑洞量子效应、黑洞热力学乃至量子引力理论奠定了坚实的观测基础。

随着第三代引力波探测器的建成，未来科学家通过对大量黑洞事件的族群分析，将有望以更高的精度探寻可能偏离经典理论的量子引力或新物理效应。在探索宇宙终极规律的道路上，中国科学家正用引力波这把“钥匙”，打开更多隐藏在黑洞深处的秘密。