熱力學竟能預測黑洞合併結果，新猜想表明黑洞碰撞可能遵循熵定律
2 個黑洞合併後，到底會變成什麼樣子？物理學家現在用「熱力學」找到新答案。
當 2 個黑洞互相繞行、逐漸靠近至碰撞合併，會釋出強烈重力波，即使在地球也能偵測到來自數十億光年外的黑洞重力波事件。
問題來了：合併之後的新黑洞質量、自旋（自轉速度）為多少？傳統上，物理學家必須用超級電腦跑極複雜的廣義相對論方程才能模擬出最終結果，或者說，目前的標準做法「數值相對論」（numerical relativity）雖然精確，但計算成本極高，每次模擬都需耗費大量計算資源。
物理學家因此一直希望找到更簡單的原理預測結果。現在賓州州立大學團隊提出新思路，能否用熱力學預測黑洞最終狀態？
熱力學是物理學一個分支，研究能量、熱、功之間關係如何決定物質宏觀行為，其概念和定律適用包含大量粒子的系統（如氣體）。
自然界傾向從有序走向混亂，也就是熵（Entropy，度量系統混亂程度）會極大化，因此我們不需知道每個原子在做什麼，只需掌握幾個宏觀變數（溫度、壓力、體積、熵），就能預測整體系統行為。
黑洞由廣義相對論描述，似乎與氣體沒有關係，但物理學家 1970 年代開始發現黑洞與氣體特性存在有趣相似之處，賓州州立大學物理學家 Monica Rincon-Ramirez 因此將熱力學概念延伸至雙黑洞系統，提出「黑洞合併後是熵最大狀態」的猜想。
黑洞合併走向「熵最大」狀態
研究人員發現若扣除重力波帶走的能量和角動量，則用簡單熱力學方法推算合併最終黑洞的質量、自旋，恰好落在熵最大值狀態，與傳統使用超級電腦進行數值相對論模擬的結果誤差僅百分之幾。
雖然目前還沒有從廣義相對論推導出最大熵原則的嚴格證明，但這項猜想表明，黑洞雖然受廣義相對論支配，但其行為可用簡單熱力學原則「熵最大化」完美解釋。
若這個猜想成立，未來就能以熵最大化計算黑洞合併後狀態，精度還接近超級電腦計算預測，不需真正求解廣義相對論複雜方程式，為重力學、黑洞物理學、熱力學交集帶來突破性視角。
新論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
（首圖來源：pixabay）