浙江
十年前，科学家首次直接探测到引力波，证实了爱因斯坦广义相对论的关键预言，并开启了研究宇宙的全新方式。如今，国际科学合作组织再次宣布了一项重大发现：一个新的引力波信号为斯蒂芬·霍金的黑洞面积定理提供了迄今为止最强有力的验证。
引力波被称为时空的“涟漪”。根据爱因斯坦的广义相对论，当极其巨大的天体（如黑洞或中子星）相互绕转并发生合并时，会导致时空扭曲并以光速向外辐射引力波，这些波携带着关于其源头天体和事件的重要信息。2015年9月14日，美国双子激光干涉引力波天文台（LIGO）首次捕捉到了名为GW150914的信号。该信号源自十亿多光年外两个质量均超过太阳30倍的黑洞的合并事件。这一历史性发现不仅印证了百年相对论，也让雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩三位科学家斩获了2017年诺贝尔物理学奖。
自2015年以来，LIGO联合意大利Virgo和日本KAGRA探测器，已经观测到超过300个引力波信号。黑洞合并通常经历旋近、合并以及最后的衰荡阶段。在衰荡阶段，新形成的黑洞逐渐趋于稳定，释放出的减弱信号包含了该黑洞质量和自旋（即绕轴旋转）的信息。就在几周前，国际合作组发布了第四次观测运行的最新结果，使已知的引力波数量翻了一番以上。
在首次发现引力波十年后的今天，合作组宣布探测到了一个由黑洞合并产生的全新引力波信号——GW250114。得益于过去十年间探测器性能的显著提升，这个与首个信号物理特征相似的新信号，其“响度”达到了前者的近四倍。如此清晰的信号使得科学家能够更精确地测量合并前后黑洞的质量和自旋，这也为测试50多年前斯蒂芬·霍金和雅各布·贝肯斯坦独立提出的黑洞热力学理论提供了绝佳机会。
霍金的黑洞力学第二定律（即黑洞面积定理）指出，在经典广义相对论的条件下，黑洞事件视界（即黑洞周围连光都无法逃脱的边界）的总面积不能随时间而减少。这一概念与物理学中描述系统微观状态的“熵”密切相关。贝肯斯坦曾证明，黑洞的熵与其事件视界的面积成正比，从而将黑洞物理学与热力学定律联系在了一起。
通过对GW250114的精密测量，研究人员利用合并前两个原始黑洞的质量和自旋计算出它们的视界总面积，并与合并后形成的新黑洞的视界面积进行了对比。结果清晰地表明，最终形成的新黑洞面积大于原来两个黑洞的面积之和，完美契合了霍金关于总面积不会减少的预言，这也是迄今为止对该定理最精确的一次测试。尽管2015年的GW150914信号也曾提供过符合该定理的证据，但由于当时信号不够清晰，测试精度受到了限制。此外，新观测还证实了合并后产生的新黑洞具备广义相对论所描述的克尔黑洞（旋转黑洞）的预期行为特征。
此次观测的重要意义在于，引力波为科学家提供了一种在地球上难以重现的极端条件下测试物理理论的方法。展望未来，随着引力波探测器的不断升级以及更多合并事件被观测到，科学家们不仅能够对现有的引力理论进行更深入的检验，还将有更多机会探索暗物质和暗能量。美国宇航局（NASA）估计，不发光仅凭引力效应被推断存在的暗物质占据了宇宙约27%的比例，而与宇宙加速膨胀有关的暗能量则占据了约68%。虽然引力波观测尚未能完全解释这两大宇宙谜团，但十年来从GW150914到GW250114的跨越已经证明，引力波探测正在不断加深人类对主宰黑洞乃至整个宇宙基本法则的理解。
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