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黑洞热力学拓扑性质研究新法问世

2022-11-08 09:12:13 | 来源: 科技日报 | 责编: 陈晨
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  近日,兰州大学物理科学与技术学院引力团队教授魏少文、刘玉孝与加拿大滑铁卢大学罗伯特·蔓(Robert B. Mann)教授合作,利用段一士Φ映射拓扑流理论研究了热力学参数空间中黑洞解的拓扑性质。他们将黑洞解本身看作一类特殊的拓扑缺陷后,构造了独立于黑洞内禀参数的拓扑数,提出了研究黑洞热力学拓扑性质的新方法。相关研究论文发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》上,并被遴选为当期编辑推荐文章。

  魏少文介绍,近年来,黑洞热力学的研究是当前黑洞物理研究领域的重要前沿课题。兰州大学引力团队密切关注这方面的研究进展,取得了一系列重要成果,包括基于黑洞相变方面的研究基础,提出了“黑洞微观分子”模型,指出可以通过研究黑洞相变来考察黑洞微观自由度之间的相互作用,借助黑洞霍金温度等宏观量来揭示微观性质,这一思路为理解黑洞的微观结构提供了新途径。同时,研究结合统计物理涨落理论,发展了一套揭示黑洞潜在微观分子间相互作用的一般方法,发现不同于一般的流体系统,黑洞微观分子之间可存在排斥相互作用,揭示了黑洞热力学性质的独特性。

  魏少文说,目前,拓扑这一数学工具已经应用到物理学的各个研究领域。在黑洞热力学中,不同类型的黑洞具有不同的热力学宏观量。对于同一类型的黑洞,在特定温度下可能有不同的黑洞相,它们可能是局域稳定的,也可能是局域不稳定的。能否从拓扑上区分它们并给出一般性的结论,是个有趣且重要的问题。

  兰州大学引力团队从推广的自由能出发,构造了一个矢量场,该矢量场的零点代表了黑洞解本身。借助于这一性质,利用段一士Φ映射拓扑流理论提出了一个新的拓扑数。从局域角度而言,局域稳定的黑洞相具有正的局域拓扑数,而局域不稳定的则具有负的局域拓扑数。进一步,对于同一类黑洞,所有局域拓扑数求和便可得到整体拓扑数。于是,从整体角度而言,可根据整体拓扑数来对黑洞进行拓扑分类。根据该分类,具有相同整体拓扑数的黑洞(即使它们是不同类型的黑洞)具有类似的热力学性质。

  “由于这些拓扑数是不依赖于黑洞具体参数的普适常数,它们对理解黑洞和引力本质问题具有重要意义,对量子引力理论的建立或许会提供新的线索。”魏少文说。

  黑洞是时空曲率大到光都无法逃脱的天体,黑洞热力学是现代黑洞物理学的主要组成部分。自20世纪70年代霍金和贝肯斯坦等著名物理学家建立黑洞热力学之后,黑洞的热力学性质已经得到了广泛研究和关注。由于涉及到量子力学、统计物理和广义相对论等多个学科,黑洞热力学的研究有助于认识黑洞和引力的本质,是深入理解量子引力理论的有效途径。

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