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黑洞热力学:起源、拓展及其理论结构

科学通报 2024年第13期69卷 1671-1673页

作者：肖勇田雨刘玉孝河北大学物理科学与技术学院保定071002 河北省量子场论精细计算与应用重点实验室保定071002 中国科学院大学物理科学学院北京100049 中国科学院理论物理研究所北京100190 兰州大学物理科学与技术学院兰州730000 兰州理论物理中心量子理论及应用基础教育部重点实验室兰州730000

20世纪70年代,贝肯斯坦(Bekenstein J D)思考了这样一个科学问题:当你把一杯热茶扔进一个黑洞(图1),宇宙中的熵是否会减少?这个问题来自他与他的博士生导师惠勒(Wheeler J A)的一场对话,看似简单却直击要害.熵是热力学中的概念,也是无... 详细信息

20世纪70年代,贝肯斯坦(Bekenstein J D)思考了这样一个科学问题:当你把一杯热茶扔进一个黑洞(图1),宇宙中的熵是否会减少?这个问题来自他与他的博士生导师惠勒(Wheeler J A)的一场对话,看似简单却直击要害.熵是热力学中的概念,也是无序度的体现.人们从日常生活中早已知晓,一个孤立系统的熵总是有随时间自发增加的趋势.比如,口袋里的手机线很快就会盘成一团,空气中的一团烟雾很快会扩散到整个房间.这就是热力学第二定律:孤立系统的熵只可能增加,而绝不会减少.

关键词：热力学第二定律黑洞热力学孤立系统无序度博士生导师熵

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广义不确定原理对Kerr黑洞热力学的影响

中国科学：物理学、力学、天文学 2018年第5期48卷 1-8页

作者：吴善平刘成周曹巧君王胜任儒雅沈淑菲绍兴文理学院物理系绍兴312000

利用广义不确定原理,研究了Kerr黑洞热力学的量子修正.根据视界附近粒子的量子不确定性,给出了黑洞温度与黑洞视界半径的关系式.分析这一关系式,给出了Kerr黑洞的临界状态和临界参量.根据黑洞热力学第一定律,对Kerr黑洞热容和黑洞熵进... 详细信息

利用广义不确定原理,研究了Kerr黑洞热力学的量子修正.根据视界附近粒子的量子不确定性,给出了黑洞温度与黑洞视界半径的关系式.分析这一关系式,给出了Kerr黑洞的临界状态和临界参量.根据黑洞热力学第一定律,对Kerr黑洞热容和黑洞熵进行了计算.利用黑洞热容公式,给出了黑洞的剩余状态.结果表明,Kerr黑洞剩余状态与临界状态等价,广义不确定原理可避免黑洞蒸发过程中温度奇异性的出现.得到的黑洞熵具有包括对数修正在内的量子修正项.

关键词：黑洞热力学广义不确定原理量子修正

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黑洞热力学与η-ξ时空

黑洞热力学与η-ξ时空

作者：李子敬大连理工大学

学位级别：硕士

黑洞的视界和视界表面引力作为黑洞学研究的重要方面,分别与黑洞熵和热辐射温度有直接联系,赵峥证明了视界是产生热效应的直接原因。公式(?)=0和K=(?)b(-(?))可以分别用于确定各种黑洞时空和Rindler时空的视界位置及表面引力,但在弯曲... 详细信息

黑洞的视界和视界表面引力作为黑洞学研究的重要方面,分别与黑洞熵和热辐射温度有直接联系,赵峥证明了视界是产生热效应的直接原因。公式(?)=0和K=(?)b(-(?))可以分别用于确定各种黑洞时空和Rindler时空的视界位置及表面引力,但在弯曲时空量子场论的一个模型—η-ξ时空中,此两式不成立。因此,η-ξ时空“视界”的表面引力,即Hawking-Unruh效应中的温度在以前的论文中基本上没有人涉及。本文第一、二章简要回顾了黑洞热力学和η-ξ时空的主要内容。第三章中,首先引用了***对时空视界的几何解释,确定了η-ξ时空的视界位置;然后着重探讨了视界表面引力的度规定义式K=(?)b(-(?))与时空共形方法K=(?)lnΩ/(?)χ之间的关系,给出了两种方法的详细计算过程并讨论了物理思想,由此看出时空共形方法计算表面引力具有更大的适用性、一般性,而K=(?)b(-(?))只是K=(?)lnΩ/(?)χ在黑洞时空和Rindler时空中的更具体表示;并在此基础上首次得到了η-ξ时空的视界表面引力K,结果为:K等于η-ξ时空和闵氏时空间坐标变换中的指数因子α。这一结论支持了η-ξ时空可以作为有限温度场论的背景时空的论断。最后文章指出了K=(?)b(-(?))不适用于η-ξ时空的原因。

关键词：黑洞热力学 η-ζ时空视界表面引力时空共形方法

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黑洞热力学中两个理论问题的研究

黑洞热力学中两个理论问题的研究

作者：赵泽伟东北大学

学位级别：硕士

黑洞热力学是现代物理学的重要研究方向之一,它结合了热力学、经典引力与量子力学,并为量子引力理论的研究提供了一条道路。黑洞热力学已经取得了巨大的成功,当前一个重要的研究方向就是拓展相空间中的黑洞热力学。拓展相空间要求将宇... 详细信息

黑洞热力学是现代物理学的重要研究方向之一,它结合了热力学、经典引力与量子力学,并为量子引力理论的研究提供了一条道路。黑洞热力学已经取得了巨大的成功,当前一个重要的研究方向就是拓展相空间中的黑洞热力学。拓展相空间要求将宇宙学常数视为变量,它在描述小大黑洞相变与van der Waals流体气液相变的相似性方面有着显著的优点。除了相似性外,黑洞还可能展现出与van der Waals流体完全不同的热力学行为,例如节流过程。一些简单的特殊类型的黑洞的节流过程已经得到了研究,但最一般的4维旋转且带电的黑洞解[Kerr-Newman-anti-de Sitter（KN-AdS）黑洞]却尚未被研究。本文解释了 KN-AdS黑洞研究中的困难,并采用新的计算方法系统地研究了KN-AdS黑洞的节流过程。本文同时采用解析和数值的方法研究了节流过程中的反转温度、反转曲线以及等焓曲线几个问题。本文发现KN-AdS黑洞的节流过程与其他简单类型的黑洞在很多方面仍是类似的,同时也详细计算了它们的差别。本文还指出并重点研究了两类特殊的等焓曲线:不与反转曲线交叉的等焓线和与其他等焓线有交点的等焓线。最终,本文给出了最一般的黑洞节流过程的完整描述。黑洞热力学的另一个研究方向是时空几何与热力学的关系。Penrose猜想认为Weyl张量Cμνλρ与引力场的熵可能存在某种潜在的联系。多年以来,人们对Penrose猜想做了大量的探索性研究,其中一种是通过构建Weyl标量CμνλρCμνλρ,利用它的体积分来计算黑洞的Bekenstein-Hawking熵。这种想法在5维Schwarzschild黑洞和Schwarzschild-AdS黑洞中得到了实现,但仍然需要进一步的推广和验证。本文在更复杂情况下研究了上述想法,即视界为非球形的黑洞解——黑环。黑环是视界拓扑为S1× Sn-3的n维Einstein引力场方程组的渐近平坦真空解。在5维中性细黑环的情况下,本文通过Weyl标量的体积分导出了它的Bekenstein-Hawking熵,从而在更普遍的意义下验证了将Weyl标量解释为引力场的熵密度的想法的可行性。本文还对其他几种更复杂的情况分别进行了计算:黑弦、含两个角动量的黑环和含宇宙学常数的黑环。这些情况的计算结果虽然在定量上有一定的差异,但仍然支持上述的结论。

关键词：黑洞热力学拓展相空间节流过程 Penrose猜想 Weyl张量黑环

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黑洞热力学及其现象学研究

黑洞热力学及其现象学研究

作者：胡诗倩扬州大学

学位级别：硕士

黑洞是广义相对论预言的天体,也是爱因斯坦场方程的一个优美而有趣的解。一直以来,黑洞物理相关问题都是物理学和天文学的前沿研究热点之一。量子引力在普朗克尺度上统一量子理论和广义相对论两大基本理论,黑洞热力学是研究量子引力的... 详细信息

黑洞是广义相对论预言的天体,也是爱因斯坦场方程的一个优美而有趣的解。一直以来,黑洞物理相关问题都是物理学和天文学的前沿研究热点之一。量子引力在普朗克尺度上统一量子理论和广义相对论两大基本理论,黑洞热力学是研究量子引力的候选者之一。从上个世纪70年代以来在引力系统内考虑量子效应及提出霍金辐射后,黑洞作为引力动力学系统,其特征量与热力学量具有高度相似的表述,黑洞热力学四大定律被提出。自此,为进一步认识和理解黑洞的基本性质,人们对黑洞热力学进行了广泛研究。本论文将主要研究Anti-de-Sitter(AdS)黑洞的热力学性质及其现象学。具体而言,本论文将主要研究黑洞拓展热力学及其现象学;在拓展相空间内,宇宙学常数Λ定义为压强,其共轭量为体积(此处的体积为黑洞的热力学体积),拓展相空间内的黑洞热力学也叫黑洞化学,此时黑洞的总能量不再表示黑洞热系统的内能,而是该热系统的焓。在此基础上的引力系统表现出更加丰富的相结构和热力学性质:比如,该黑洞热力学系统具有与范德瓦尔斯(Van de Waals)流体相似的性质,展现出相变现象以及相应的临界现象,重入相变和三相点等。本文首先将简单回顾黑洞的发生历史及黑洞热力学的形成历史,进而在黑洞拓展热力学的框架下展开研究。具体主要分为两个部分,上半部分研究了与热力学第一定律相关的Smarr定律和黑洞热系统与外界有物质交换时的热力学;下半部分在不同的引力模型中研究黑洞具有丰富的相结构时的热力学行为,如黑洞热机,焦耳汤普森效应。本文的结构如下:第一章首先简单介绍黑洞的定义及其研究历史背景,黑洞热力学及黑洞拓展热力学的发展史。第二章中将研究的是Smarr关系式以及如何通过量纲分析的方法给出Smarr关系式。在拓展热力学的框架内,对于一些特殊的黑洞模型比如Horndeski引力中Einstein-Axion耦合黑洞解,当存在无量纲的耦合常数时,通过量纲分析的方法无法得到正确的Smarr关系式。这一章将主要讨论这个问题并给出了解决方法。第三章将讨论AdS黑洞与外界存在物质交换即吸收带电粒子后,其热力学定律是否被破坏的问题。近期有一系列研究表明当带电粒子落入AdS黑洞时,其热力学第二定律即熵增理论被破坏。首先我们指出RN-AdS黑洞吸收带电粒子后的热力学第二定律违反是由一个不恰当假设导致,并说明被吸收粒子能量改变的是黑洞的质量而不是内能。接下来研究Massive引力中的AdS黑洞模型吸收带电粒子后的热力学和弱宇宙监督,通过两种不同的方法研究带电粒子落入黑洞后改变的黑洞热力学行为。并再次说明黑洞热力学第二定律被破坏是由于带电粒子能量改变的是黑洞的内能的不恰当假设导致的,阐明了热力学第二定律的不可挑战性。第四章我们将动量耗散引入了全息热机的研究中,回顾Horndeski引力中耦合轴子场的黑洞解及其热力学,并在这个AdS黑洞的模型中构造一个全息热机,研究其热机效率并考察了动量耗散机制对热机效率的影响。第五章主要研究黑洞热系统的Joule-Thomson效应。分别在Einstein-Maxwell-Axion理论和Massive引力理论这两类通过不同机制引入的动量耗散的AdS黑洞中研究Joule-Thomson效应。我们首次得到与Van der-Waals理想流体高度相似的Joule-Thomson曲线,丰富了黑洞这类强引力系统中的现象学研究。第六章总结全文内容并作展望。

关键词：黑洞热力学黑洞相变 PV临界全息热机

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黑洞热力学相变及其与光子轨道的联系

黑洞热力学相变及其与光子轨道的联系

作者：李海堂浙江工业大学

学位级别：硕士

对黑洞热力学性质的研究是当前引力理论与黑洞物理学极具新意的热门话题,尤其是在Ad S/CFT框架下,Ad S背景时空中的黑洞热力学受到了极大的关注。在Ad S时空背景下,通过将宇宙学常数视为热力学压强,将黑洞内能解释为系统的焓,黑洞热力... 详细信息

对黑洞热力学性质的研究是当前引力理论与黑洞物理学极具新意的热门话题,尤其是在Ad S/CFT框架下,Ad S背景时空中的黑洞热力学受到了极大的关注。在Ad S时空背景下,通过将宇宙学常数视为热力学压强,将黑洞内能解释为系统的焓,黑洞热力学与普通系统的热力学完全对应了起来,使黑洞热力学四定律得到了极大的完善。在黑洞相空间,霍金等人率先发现了所谓的Hawking-Page相变,即施瓦西黑洞与热辐射真空态(thermal Ad S)之间的相变。随后人们分别在带电或旋转的Ad S黑洞背景中发现了大黑洞到小黑洞的类范德瓦尔斯相变以及重入相变,并从热力学几何、弦论、统计力学等多个方面对其产生机制进行了深入研究,这些研究对我们剖析黑洞的微观结构以及构建量子引力理论具有重要的启发作用。在本文中我们首先回顾Born-Infeld-dilaton-Ad S黑洞所具有的相当丰富的相变结构。依赖电磁场与伸缩子场之间的耦合常数α的值,该相图可能包含零阶、一阶以及重入相变(RPT)。然后,我们尝试采用Ruppeiner热力学几何对这些相变进行微观解释。通过研究Ruppeiner不变量R沿共存线的行为,我们发现各种相变可以很好的解释成两种相互竞争机制的结果:第一个是低温效应,它倾向于缩小黑洞;第二个是黑洞分子之间的排斥性相互作用,相反地,它倾向于扩大黑洞。在没有RPT的标准相变中,随着温度降低,第一种机制占主导,使大黑洞(LBH)趋于收缩从而转变为小黑洞(SBH);而在RPT中,当LBH-SBH相变后,随着温度的进一步降低,第二种机制的强度迅速增加,最终超过低温效应,此时小黑洞倾向于扩张以释放巨大的排斥力,从而返回到LBH。此外,通过将固定压强下R随温度T的变化行为与具有固定比容的普通二维热力学系统进行比较,我们发现:在RPT情况下,SBH的行为类似于费米气体系统,而在没有RPT的情况下,其行为与anyon系统相反,且在所有情况下,LBH的表现都接近于理想气体系统。最后,我们探讨了Born-Infeld-dilaton-Ad S黑洞背景下光子轨道与其热力学相变之间的联系。我们发现,随相变温度的降低,光子轨道的半径和极小碰撞参量均存在非单调的变化行为,这些信号表明了其存在各种相变的可能性。特别的,我们可以从这些行为中读出发生RPT时的压强的临界值。并且,在共存线附近,光子轨道半径和极小碰撞参量都存在类似的变化,它们对相变温度的依赖性显示出特征性行为,表明了RPT的存在。此外,通过数值拟合,我们发现光子轨道半径与极小碰撞参量在相变时的变化值的临界指数与通过其他计算方法得到的一般取值相同均为1/2。这些结果表明,光子轨道半径和极小碰撞参量或许可用作描述黑洞相变的序参数。

关键词：黑洞热力学相变 Ruppeiner几何光子轨道

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黑洞热力学中不稳定性猜想与相变的研究

黑洞热力学中不稳定性猜想与相变的研究

作者：景红梅四川大学

学位级别：硕士

在拓展黑洞热力学中,对宇宙学常数Λ作用的重新思考,使人们认识到黑洞热力学是一个比以前想象的更丰富的学科。宇宙学常数被解释为热力学压强并被视为热力学变量,并用它来定义黑洞的体积概念。在这个框架中,黑洞的质量不再被视为内能,... 详细信息

在拓展黑洞热力学中,对宇宙学常数Λ作用的重新思考,使人们认识到黑洞热力学是一个比以前想象的更丰富的学科。宇宙学常数被解释为热力学压强并被视为热力学变量,并用它来定义黑洞的体积概念。在这个框架中,黑洞的质量不再被视为内能,而是用化学焓来表示。自此,拓展黑洞热力学的各个方面被广泛研究。对于给定的黑洞时空,热力学体积的概念出现了。这个体积被推测满足逆等周不等式,一个对黑洞在固定热力学体积下所能携带的熵的量施加限制的不等式。近年来,一些黑洞被发现违反逆等周不等式,这样的黑洞被称为超熵黑洞。超熵黑洞具有有限面积的非紧致视界,有人推测,这类黑洞总是具有负定容比热CV,或当CV>0时,总是具有负定压比热CP,使它们在拓展热力学中具有不稳定性。本文对一类非线性电动力学黑洞,即三维EBI Ad S黑洞,检验了这种不稳定性猜想。结果表明,当非线性电动力学效应较弱时,不稳定性猜想是有效的。然而,当非线性电动力学效应足够强时,在某些参数区域,这一猜想可能被违背。这一观察结果为不稳定性猜想提供了一个反例,它表明超熵黑洞可能是热力学稳定的。其次,类似于在凝胶和聚合物中看到的新的热力学相行为,在拓展黑洞热力学中自然产生。许多黑洞的相结构已被大量研究,并显示出与各种普通物质系统的相结构非常相似。因此,我们还研究了黑洞热力学中的相变与相结构。考虑一个巨正则系综,我们研究了在两种不同边界条件下,即Ad S空间和Dirichlet壁上,精粹暗能量包围的RN黑洞的相结构和相变。对于Ad S空间,在固定的温度和电位条件下,随着温度的升高,低电位的黑洞发生一级相变,而高电位的黑洞不发生相变,在参数空间中有两个不同的区域。对Dirichlet壁的温度场和势场进行了详细的分析,并对其精粹状态参数ω=-2/3进行了详细的讨论。然后,我们研究了黑洞参数空间中三个不同的物理允许区域。随着温度的升高,一级相变和二级相变可能发生,在这种情况下,参数空间中有九个区域,很明显这与Ad S空间的情况不同。

关键词：黑洞热力学等周逆不等式超熵黑洞相变与相结构

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静态球对称黑洞热力学与爱因斯坦场方程

大学物理 2011年第1期30卷 23-25,28页

作者：程素君翟忠旭刘文彪北京师范大学物理系北京师范大学理论物理研究所北京100875 河南新乡学院物理系河南新乡453000

建立在广义相对论基础上的黑洞理论与热力学定律之间有着深刻的内在联系.具体考虑球对称黑洞,研究表明通过史瓦西黑洞和Reissner-Nordstrom黑洞在其视界附近的爱因斯坦场方程可以直接得到对应的黑洞热力学第一定律.这揭示了爱因斯坦引... 详细信息

建立在广义相对论基础上的黑洞理论与热力学定律之间有着深刻的内在联系.具体考虑球对称黑洞,研究表明通过史瓦西黑洞和Reissner-Nordstrom黑洞在其视界附近的爱因斯坦场方程可以直接得到对应的黑洞热力学第一定律.这揭示了爱因斯坦引力场方程与黑洞热力学的关系,表明了在广义相对论理论框架下黑洞热力学规律的必然性.

关键词：球对称黑洞能动张量爱因斯坦方程热力学第一定律黑洞热力学

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黑洞热力学研究的历史及现状

南都学坛（南阳师专学报） 1999年第3期19卷 38-43页

作者：闫荣义南阳师专物理系南阳473061

以黑洞热力学建立和热辐射研究为主线，简述了黑洞物理学研究中物理思想的发展轨迹。概括论述了该领域研究前沿和最新研究动态。

关键词：黑洞热力学热辐射视界