在宇宙的深邃空间中，两个相互环绕的黑洞并不会永远保持这种状态。随着它们逐渐螺旋靠近，最终会爆发一场能量巨大的碰撞，这场碰撞不仅会扭曲周围的时空结构，还会向遥远的宇宙空间发射出引力波。科学家们发现，这些引力波的信号能够帮助他们估算出碰撞后形成的大质量黑洞——即残余黑洞——的各种性质。
传统上，要准确预测这些残余黑洞的性质，科学家们需要依赖超级计算机来求解爱因斯坦广义相对论中那些复杂的方程。然而，宾夕法尼亚州立大学领导的一组物理学家近日提出了一种更为简单的方法：他们发现，利用基本的热力学原理，或许能够近似地预测出残余黑洞的大小，并且这一方法还能揭示出这些复杂方程中隐藏的更多物理信息。
这项具有突破性的研究发表在了《物理评论快报》上，并且被选为了该期刊的编辑推荐文章。研究团队中的博士后学者莫妮卡·林孔·拉米雷斯解释说，合并后的黑洞会像被敲响的钟一样产生振动，并辐射出更多的引力波，直到最终达到一个稳定的状态。这个状态仅由两个参数来描述：最终的质量和自旋。他们提出的问题是，是否可以利用热力学的理论来预测这个最终状态的样子。
热力学，作为一门研究能量、热量和熵如何决定大量相互作用粒子组成的系统宏观行为的学科，其原理被广泛应用于从发动机内部的气体到大气层，甚至是烹饪过程中的物理变化等各种领域。而广义相对论则以一种截然不同的视角来看待自然，它将引力描述为时空的曲率，对于解释黑洞等天文现象至关重要。长久以来，黑洞一直被认为是不遵循热力学规律的，直到斯蒂芬·霍金证明了黑洞能够辐射能量，这一观点才得以改变。
宾夕法尼亚州立大学最近的一项研究进一步扩展了霍金对黑洞力学描述的范畴，将其应用到了会形成、合并和蒸发的动态变化黑洞上。研究人员内森·K·约翰逊·麦克丹尼尔指出，热力学的概念和定律通常适用于含有大量粒子的系统，如气体，而黑洞则是由广义相对论的确定性方程所描述的，看似与气体毫无关联。然而，顶尖物理学家们此前已经发现了黑洞和气体性质之间一个有趣的相似性，他们希望将这种类比扩展到双黑洞系统上。
在研究过程中，研究人员考虑了引力波从一对合并的天体中带走能量和角动量后所剩下的部分。他们的计算结果显示，一旦计入这些损耗，最终形成的黑洞会稳定在一个熵值最大的状态。熵，作为一个描述系统可能排列方式数量的物理量，也反映了物理系统趋向于更可能、更无序状态的趋势。研究人员瓦伊沙克·普拉萨德解释说，熵本质上是对无序程度的一种度量，自然界倾向于向高熵状态演变，因为这类状态的数量更多。他们的研究结果表明，黑洞合并也会发生类似的情况。
研究人员将他们的这一发现称为黑洞合并的最大熵猜想。这一猜想与普通热力学预测常见物理系统最终状态的方式非常相似。宾夕法尼亚州立大学的物理学教授尤金尼奥·比安奇举例说，当两种热气体接触时，人们不需要追踪气体中分子的每一次微观相互作用来确定混合气体的最终状态，而是在考虑其他物理定律的同时最大化熵，就可以预测出结果。新的猜想提出，同样的普遍规则可能也决定着两个黑洞合并后留下的物质的状态。
为了验证这一猜想，研究人员追踪了两个合并黑洞的质量和角动量如何与一系列可能的旋转残骸相对应。他们确定了熵达到最高值的位置，并将该点与数值相对论模拟独立预测的残骸进行了比较。结果显示，两者的一致性在几个百分点以内，这为他们的猜想提供了有力的支持。
两个黑洞合并后，产生的天体似乎几乎失去了所有关于形成它的碰撞的信息，剩下的部分几乎完全可以通过质量和自旋这两个属性来描述。研究人员发现，描述它所“记住”的内容最自然的方式竟然可以用热力学的概念来解释。这一发现不仅探索了引力、黑洞物理学与热力学交叉领域的一个令人惊讶的可能性，还提出了一个具有潜在变革性的问题：熵最大化是否可能成为更普遍地支配黑洞相互作用的基本组织原则？
