理论物理专业毕业论文 [精品论文] 量子隧穿、反常与黑洞霍金辐射

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1、理论物理专业毕业论文[精品论文]量子隧穿、反常与黑洞霍金辐射关键词：黑洞霍金辐射自引力相互作用量子隧穿量子反常Bekenstein-Hawking熵摘要：黑洞霍金辐射是理论物理学科的一个重要发现。它的出现是广义相对论、量子力学和热力学有机结合的产物。经过30多年的研究，在理论上人们不再怀疑它的正确性，但是实验上至今尚没对这个理论给予验证。幸运的是，在量子引力为Tev能标的情况下，西欧核子研究中心（CERN）的新一代大型强子对撞机LHC（LargeHadronCollider）将能够平均每秒制造出一个微

2、型黑洞。这样的微型黑洞产生时几乎立即蒸发，它们的存在只有通过黑洞的霍金辐射在最后垂死爆发才能观察到。这就为实验检验黑洞霍金辐射提供了一个新的可能性，进而使得对黑洞霍金辐射的研究再次成为理论物理研究的重点与热点问题。自从斯蒂芬·霍金（StephenHawking）在1974年发现黑洞并不是完全黑而是可以从视界发射热辐射以来，在过去的四分之一多个世纪里，人们已经用许多不同的方法对各类黑洞的量子热性质进行了大量的研究。但大多数研究黑洞霍金辐射的文献中，背景时空是固定不变的，没有考虑霍金辐射对背景时空的反作用

3、。在该近似下，黑洞霍金辐射谱为纯热谱，这导致了黑洞信息丢失疑难和量子论幺正性破缺。为了准确描述黑洞量子热效应，必须考虑辐射粒子的自引力相互作用，把黑洞背景时空看作动态变量。考虑到辐射粒子的自引力相互作用，2004年度诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克（FrankWilczek）和其合作者克罗斯（PerKraus），首先把黑洞霍金辐射看作是一种半经典的量子隧穿效应，得到了修正的霍金辐射谱。接着，在此工作基础之上，弗兰克·维尔切克（FrankWilczek）和其合作者派瑞克（MaulikK.Parikh

4、），对该Kraus-Wilczek量子隧穿方法进行了改进，在能量守恒的条件下，给出了支持信息守恒和恢复量子论幺正性的一种虽然是半经典，但却是比较具体的计算。后来，运用量子场论中的反常技术，弗兰克·维尔切克（FrankWilczek）和其合作者罗宾逊（SeanP.Robinson）通过研究手征对称理论的量子反常，再次成功对黑洞霍金辐射进行了研究。本文的主要任务是发展和完善量子隧穿和反常方法，使之各自成为一个比较完整的理论体系。本文总结了作者博士期间完成的四个方面的研究工作。第一个工作是对Kraus-Wi

5、lczek量子隧穿方法进行了再研究，得到了正确的黑洞霍金辐射谱。第二个工作是发展和完善Parikh-Wilczek量子隧穿方法。第三个工作是发展复路径积分方法，对费米子的隧穿辐射特征进行了研究。第四个工作是对Iso-Umetsu-Wilczek量子反常方法进行推广与发展。本文共分为七章，其具体内容包括：第一章，简要介绍了量子隧穿和反常方法的霍金辐射机制及其发展的历史背景。第二章，对量子隧穿和反常方法的霍金辐射机制的理论基础作了简单介绍，具体包括Kraus-Wilczek量子隧穿方法，Parikh-Wi

6、lczek量子隧穿方法，复路径积分方法（费米子量子隧穿模型的理论基础）以及量子反常方法。第三章到第六章是对作者博士期间工作的总结：·考虑到辐射粒子的自引力相互作用，F.Wilczek和其合作者P.Kraus的原始工作[32]首次对黑洞霍金辐射谱进行了修正。第三章以一个任意球对称黑洞为例，对Kraus-Wilczek量子隧穿模型进行了再讨论，并指出文献[32]给出的只是近似霍金辐射修正谱，考虑到辐射粒子对时空背景的反作用，真实的辐射谱不仅偏离纯热谱，而且与辐射粒子前后黑洞的Bekenstein-Hawk

7、ing熵变有关，满足量子力学的幺正性原理。第四章旨在发展和完善Parikh-Wilczek量子隧穿方法：·E.C.Vagenas利用Parikh-Wilczek量子隧穿模型研究了三维旋转BTZ黑洞的霍金辐射，并指出自引力相互作用会修改该黑洞Bekenstein-Hawking熵表达式[48]。4.1节考虑到辐射粒子的自引力相互作用，对三维旋转BTZ黑洞的量子隧穿辐射进行了再研究，结果表明自引力相互作用不会修改三维旋转BTZ黑洞Bekenstein-Hawking熵表达式，造成文献[48]错误的原因是利

8、用半经典量子隧穿方法研究三维旋转BTZ黑洞的霍金隧穿辐射时，只考虑了能量守恒，没有考虑角动量守恒。·Parikh-Wilczek量子隧穿模型引进了P.Painlevé在1921年提出的坐标变换消除黑洞视界处的坐标奇异性，为辐射粒子提供优越的隧穿环境。后来，张靖仪和赵峥把Painlevé坐标变换推广到适用于一般稳态黑洞的情形。4.2节引进新的Painlevé-like坐标变换消除黑洞视界处的坐标奇异性，