新物理理论证明霍金的黑洞面积定理

1. 新物理理论证明霍金的黑洞面积定理

证明：设待合并的两个黑洞的半径分别为：R1、R2，则这两个黑洞的面积分别是：S1=4πR1^2、S2=4πR2^2。我的另外一篇文章《统一相对论和量子力学的常数》论述过，空间半径和质量的常数：Q=M^2R，其中，Q是常数、M是系统质量、R是系统空间半径。我们假设待合并的两个黑洞相切，则两个黑洞组成系统的空间半径等于两个待合并黑洞半径之和，即R=R1+R2。这样两个黑洞组成系统的空间面积时：S=4πR^2=4π(R1+R2)^2, S1+S2=4πR12^+4πR2^2,显然S>S1+S2。
  
  两个黑洞合并后我们再分析常数：Q=M^2R，假设两个黑洞合并后的表达式变为：Q=M3^2R3，因为两个黑洞合并，质量减少——已经被科学证实。所以M必然减小,所以M3 R，那么S3=4πR3^2> S=4πR^2=4π(R1+R2)^2,即S3>S> S1+S2，得出：S3>S1+S2，所以两个黑洞合并后面积不小于两个黑洞合并前的面积——霍金黑洞面积定理，证明完毕！ 
  
 附录：中科院文章《霍金黑洞面积定理首次观测证实》，链接地址：https://www.cas.cn/kj/202107/t20210707_4797367.shtml

2. 引力波证实了霍金的黑洞面积定理

1971年，霍金在宇宙监督假设和强能量条件的基础上推导出了黑洞面积定理：黑洞的表面积不会随着时间的推移而减少。面积定理吸引了许多物理学家，因为它反应了热力学第二定律，即熵不能随着时间减少。 
  
  如果黑洞把物体吸入内部，那么它的质量会增加，从而也增加了黑洞的表面积。但是，被吸进的物体会使黑洞角动量增加，使表面积减少。不过，由于附加质量而增加的表面积总是大于由附加转动减少的表面积，最终结果是黑洞的表面积还是增加了。 
     
  根据面积定理，两个黑洞可以合并成一个黑洞，合并后的表面积大于合并前各黑洞表面积之和。但是，如果一个大黑洞自发地分裂成两个小黑洞，那么总的表面积将会减少，这和面积定理相违背，因此是不可能发生的。 
  
  理论需要实验的证明，而引力波天文学的发展使我们得以验证霍金的面积定理。麻省理工学院天体物理学家团队分析了2015年探测到的第一个引力波信号。他们将数据分成两个时段：合并前和合并后，且分别计算了它们的表面积。结果发现，新形成黑洞的表面积大于两个旧黑洞的表面积之和，实验的置信水平为95%。 
     
  黑洞和引力波是广义相对论的结果，而面积定理也是从广义相对论发展而来的。之前引力波的观测结果很好地符合了广义相对论，因此面积定理也不太可能偏离。 
  
  霍金的面积定理很好地把黑洞与热力学联系在一起，而霍金辐射则把广义相对论和量子力学联系在一起。由于量子涨落，宇宙中会“凭空”产生一些粒子，通常情况下，这些粒子成对出现并快速结合而湮灭。但是，如果这些粒子出现在黑洞视界附近，其中一个粒子落入黑洞中，另一个粒子自由地逃往宇宙，黑洞就发出了霍金辐射。 
  
  霍金辐射会使黑洞的表面积收缩，违反面积定理。不过，由于霍金辐射非常微弱，需要极长的时间才能观察到面积的缩小，因此它不会阻碍实验的进行。

3. 实验证明霍金对黑洞预测是正确的

 物理学家一直致力于实验室中与黑洞有关的实验。 实验证实，已故著名物理学家霍金对黑洞做出的预测是正确的。 团队在他们的实验室中创建的黑洞与太空中的黑洞不同。太空中的黑洞具有如此巨大的重力，光线无法逃脱。实验室制造的黑洞是使用一种称为玻色-爱因斯坦凝聚物的东西建造的，它不会阻止光线逃逸，而是防止声音逃逸。
   该团队称其实验验证的霍金理论称为霍金辐射。该团队表示，霍金意识到，当试图将控制热量的物理定律应用于黑洞时，黑洞必须从其表面发射辐射。面临的挑战是，天文学家无法观测到足够近的黑洞来证明或反驳这一理论。这种不可能性导致科学家们在实验室中制造出黑洞类似物。
   研究人员通过在聚焦激光束中捕获8000个铷原子以产生细长的玻色-爱因斯坦凝聚物来完成验证。这是一个超冷原子系统，其中奇异的量子物理现象在较大尺度上可见，并且经常用于这类实验。研究人员然后采用第二个激光器增加冷凝物一侧的势能。尖锐的过渡将较密集的区域（被认为是黑洞的外部）分开，较不密集的区域被认为是黑洞的内部。
   在实验的一个区域，声音的速度比铷原子的流动速度快，但在另一个区域，声音的速度慢，使声波只从急剧的转变处传播。这就是光在黑洞中的行为。研究小组发现，在实验室创造黑洞的视界内，霍金辐射的信号与黑洞内外的声波有关，从而证明斯蒂芬霍金黑洞预测是正确。

4. 中外科学家精细测量了人类发现的首颗黑洞，为什么说霍金输了？

为什么说中外科学家精细测量了人类发现的首颗黑洞，就说霍金输了呢，这还要从霍金打的一个赌说起。

一、霍金打的什么赌。
天鹅座X1是一个双星系统，除了包含一个致密星之外，还包含一个蓝巨星，在1964年被发现以后，关于这个致密性是中子星还是黑洞的猜测就成为了物理研究领域的一个热点。在此背景下，在1974年的时候霍金和加州理工学院的物理学家基普索恩打了一个赌，在当时霍金认为天鹅座的X1只是在天鹅座的一个明亮的物体，并不是什么黑洞，而基普索恩认为这就是一个黑洞，他们还因此立下了字据。到了1990年的时候，关于这个系统中心是黑洞的证据越来越多，这些证据显示霍金打赌打输了，他也因此签字，表示愿赌服输。尽管霍金已经打赌认输，但是关于这个系统的具体信息还是缺乏精确测量。
二、后续关于这颗黑洞的测量：
2011年，我国的科学院国家天文台研究员和其他合作人员对这个双星系统做了一次精确的测量，测量结果显示：这个双星系统距离地球6067光年，有太阳质量的14.8倍那么大，黑洞的视界面以72%的光速转动。
2013年，欧洲发射盖亚卫星，对天鹅座X1的X射线双星系统记性了精确测量，得出了此双星系统距离地球大概7100光年的结论。之后澳大利亚的亚柯廷大学的一个团队，通过三角视差方法，结合之前的观测数据，再消除喷流运动所导致的系统误差，得出这个双星系统距离地球7240光年，精确度有8%。在此基础上，有进一步发现，黑洞质量又增加了50%，现在已经有21被太阳的质量了，精度为10%。
后来，我国的科学院国家天文台研究员领导的团队，结合以上新得到的数据，进行了新的测量，这次测量结果显示黑洞视界面至少以95%的光速自转。
2021年2月19日，在国际权威期刊和报纸上联合发布三个分别来自中国，美国，澳大利亚的团队的最新的精确测量结果，三个团队发现，此黑洞有21倍太阳质量，并且自转速度十分接近光速。

三、我的一点看法：
科学就是一个发现，推测，然后去证实，再打翻原来的推断，修正原来的结论的一个过程，我们只有不断的探索，才能发现更多未知世界大的秘密，霍金和基普索恩的打赌也在某种意义上激发了我们对探索未知宇宙的热情，虽然霍金这次打赌输了，但是他所代表的精神，值得我们学习。

5. 近日霍金推翻了自己关于黑洞的理论，说没有黑洞，那么近年来人类观测到的所谓的“黑洞”实际是什么？

霍金推翻了自己的黑洞理论，承认“宇宙中没有黑洞”，存在“灰洞”。
所以观测到的是灰洞，其实黑洞不黑的说法很久之前就提出来了
根据经经典黑洞理论,没有任何物质能逃离黑洞。而作为黑洞理论的创建人之一的霍金提出了一个新的理论,即一个更加“温和”的“视边界”,这一边界只会暂时性地困住物质和能量,但最终会释放它们
黑洞周围的一个假设区域被称为视界。霍金认为视界理论存在缺陷，光无法从中逃逸。试图逃脱黑洞核心的光射线不会像人被困在跑步机上那样，它可以通过辐射泄露来慢慢收缩。霍金告诉《自然》杂志：“在经典理论中，光无法从黑洞中逃脱，但是在量子理论中，能量和信息可以做到。”关于对其过程的完整解释，霍金表示需要将重力和其他自然基本力的理论完美融合。

6. 霍金是发现了黑洞还是研究出了黑洞的原理

霍金是研究出了黑洞的原理并用公式证明了黑洞的存在。
人类发现的第一个黑洞是X-1黑洞。其质量大约是太阳的10倍，直径约60公里(18英里)，距离地球8000光年，位于天鹅星座。该黑洞从邻近轨道运行的蓝色超级巨恒星中吸取气体，它向内螺旋式释放着巨大热量，喷射出高能量X射线和伽马射线。

7. 科学家首次直接探测到黑洞背后的光，证明爱因斯坦没有错

 斯坦福大学天体物理学家丹·威尔金斯在观察8亿光年之外星系中心的超大质量黑洞向宇宙发射的x射线时，注意到一个有趣的模式。他观察到一系列明亮的x射线耀斑。这一前所未有的发现，令人兴奋不已。他用望远镜记录了一些意想不到的事情，更多的x射线闪光，比明亮的耀斑更小，而且“颜色”不同。
   根据理论，这些发光的回声与黑洞背后反射的x射线是一致的。然而，基于我们对黑洞的了解，这些光应该来自一个奇怪的地方。
   威尔金斯表示，“任何进入黑洞的光都不会反射出来，所以我们不应该看到黑洞后面的任何东西，然而，这是黑洞的另一个奇怪的特征，使这种观测成为可能”。威尔金斯解释说:“我们之所以能看到这种现象，是因为黑洞正在扭曲空间，弯曲光线，扭曲自身周围的磁场。”
   7月28日发表在《自然》杂志上的一篇论文详细介绍了这一奇怪的发现，它是第一次直接观测到黑洞背后的光。爱因斯坦的广义相对论曾预测过这种情况，但直到现在才得到证实。
   50年前，当天体物理学家开始推测磁场在接近黑洞时的行为时，他们不知道有一天我们可能会有直接观察这一现象的技术，并看到爱因斯坦广义相对论的实际作用。
       如何看到黑洞 
   这项研究的最初动机是为了更多地了解某些黑洞的神秘特征，即日冕。坠入超大质量黑洞的物质为宇宙中最亮的连续光源提供了能量，并在黑洞周围形成了日冕。这种光可以被分析来描绘黑洞。
   关于什么是日冕的主要理论始于气体滑入黑洞，并过热至数百万度。在这个温度下，电子从原子中分离出来，形成磁化的等离子体。在黑洞的强力旋转中，磁场在黑洞上方形成了很高的弧线，并围绕自身剧烈旋转，最终完全断裂，这种情况让人想起太阳周围发生的事情，因此它借用了“日冕”的名字。
   威尔金斯说:“这个磁场绑在一起，然后突然靠近黑洞，加热它周围的一切，并产生这些高能电子，这些电子接着产生x射线。”当威尔金斯仔细观察耀斑的起源时，他看到了一系列较小的闪光。研究人员确定，这些都是同样的x射线耀斑，但从圆盘的背面反射回来，这是对黑洞远端的首次一瞥。
   威尔金斯还说:“几年来，我一直在从理论上预测这些回声对我们的影响。我已经在我的理论中看到了它们，所以一旦我在望远镜观测中看到它们，我就能找出它们之间的联系。”
       未来的观测 
   描述和理解日冕的任务仍在继续，需要更多的观察。未来的一部分将是欧洲航天局的x射线天文台，雅典娜(高能天体物理学高级望远镜)。斯坦福大学物理学教授史蒂夫·艾伦和天体物理学教授威尔金斯正在帮助雅典娜研制部分宽场成像仪探测器。
   威尔金斯说:“它比我们以前用x射线望远镜更加清晰，它将让我们在更短的观测时间内获得更高的分辨率。所以，有了这些新的天文台，我们现在从数据中得到的图像将变得更加清晰。”

8. 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。 
     
     
     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。
     
     
     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。