黑洞并合的“最大熵猜想”

黑洞并合

当两个黑洞彼此绕转时，它们最终会沿着不断收缩的螺旋轨道相互靠近。在这一过程中，它们的运动速度不断加快，同时通过发射引力波损失能量和角动量，直到最终在一次剧烈的碰撞中并合为一体。

并合发生后，留下的黑洞会经历强烈的振荡，并通过所谓的“铃宕”逐渐平静下来，最终形成一个稳定旋转的克尔黑洞。这个黑洞只需要两个物理量——质量和自旋——就能够描述。

双黑洞并合的三个阶段：旋近、并合、铃宕。

与此同时，这场高能碰撞产生的引力波，即使来自数十亿光年之外，地球上的精密仪器也能够探测到它们。它们携带着有关黑洞并合过程的信息，物理学家可以利用这些信息，预测并合后形成的那个克尔黑洞的大小和自旋。

然而，要真正做到精确预测，需要借助超级计算机来进行计算成本极高的数值模拟，以求解广义相对论中的复杂方程。

如今，在一项于近期发表在《物理评论快报》的研究中，一个研究团队发现了一条可能的“捷径”，而且这条“捷径”还有望帮助人们更深入地理解隐藏在这些复杂方程背后的物理规律。

黑洞与热力学

热力学是物理学的一个分支，研究能量、热量和熵等物理量如何决定由大量相互作用粒子组成的系统的宏观行为。它研究的对象十分广泛，从发动机中的气体、大气系统，到烹饪等日常过程。

对于普通物质来说，即使一个系统包含大量粒子和众多自由度，热力学仍然可以用相对简单的方式描述能量如何在不同系统之间转移。例如，我们不必仔细追踪系统中每一个粒子的运动，而可以利用“熵”这样的概念来描述整个系统最终会达到什么状态。熵是衡量系统无序程度的物理量，它反映了宇宙从有序走向无序的自然趋势。

在霍金（Stephen Hawking）证明黑洞可以辐射能量之前，人们通常认为黑洞并不属于热力学所研究的范畴。但从20世纪70年代开始，一些顶尖物理学家发现，黑洞遵循的一些定律与热力学定律高度相似：黑洞的事件视界面积和表面引力分别对应于热力学中的熵和温度。

基于这种已经确立的联系，这一次，研究人员希望把这种类比进一步扩展，他们提出的问题是：黑洞热力学是否不仅能够描述孤立、静止黑洞的性质，还能用于预测黑洞并合后的最终状态？

黑洞并合最大熵猜想

在新的研究中，研究人员在把引力波带走的能量和角动量考虑进去之后，追踪了双黑洞系统在演化过程中不断变化的质量和角动量，并将这些数值映射到一系列假想的克尔黑洞上，再计算这些克尔黑洞对应的熵。

他们发现，一旦正确考虑引力波带走的能量和角动量，克尔黑洞的熵就会在某一质量和自旋处达到最大值，而这个最大熵状态所对应的质量和自旋，与数值相对论模拟独立预测出的真实最终遗留黑洞的质量和角动量极为接近，两者之间的差异只有百分之几。

研究团队据此提出了一个关于双黑洞并合的“最大熵猜想”，而这一猜想与普通热力学中的基本思想有着惊人的相似之处。

他们解释说，当两个黑洞发生碰撞并最终并合成一个黑洞后，留下来的克尔黑洞似乎会“忘记”这场碰撞过程中的几乎所有信息，只保留下自己的质量和自旋。因此，对于黑洞最终“记住”的这些信息，最自然的一种描述方式，可以用热力学概念来解释。

接下来，研究人员计划把这一猜想推广到更一般的双黑洞系统中。通过研究例如高自旋双黑洞以及偏心轨道双黑洞等系统，他们希望进一步理解各种热力学量在广义相对论中究竟扮演着怎样的角色。

研究人员表示：“这项研究探索了一个出现在引力、黑洞物理学与热力学交汇处的令人意外的可能性。它超出了目前已经确立的黑洞力学和黑洞热力学定律，并提出了一个可能具有变革意义的问题：熵最大化，会不会是一条更普遍地支配黑洞相互作用的基本组织原则？”

#参考来源：

https://www.psu.edu/news/eberly-college-science/story/simplifying-black-hole-mergers-universes-most-violent-phenomena

https://physicsworld.com/a/physicists-find-unexpected-connection-between-black-hole-mergers-and-thermodynamics/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hvp6-ydbq

#图片来源：

封面图&首图：NASA