霍金辐射与引力量子场论相关时空解的研究

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本论文包含两部分研究内容,第一部分是关于霍金辐射的研究,第二部分是关于引力量子场论相关时空解的研究。霍金辐射作为黑洞物理的重要研究领域,自上世纪七十年代被霍金提出以来,得到了广泛关注。学者对霍金辐射的研究热情不减,主要源于两点:一则霍金辐射为引力理论和量子物理的交叉提供了试验场;二则霍金辐射带来的信息疑难问题刺激着物理学家的哲学味蕾。引力量子场论是由吴岳良研究员最新提出的一种量子引力理论,该理论基于物质场的自旋规范对称性和标度规范对称性,分别引入自旋规范场和Weyl规范场,还引入一种被称为Gravifield的双标架矢量场以在局部平坦的非坐标时空和整体平坦的闵氏时空之间建立联系。广义相对论可被认为是该理论的低能有效理论。  第一章为论文的引言,分别介绍了:1.黑洞热力学与霍金辐射;2.计算霍金辐射的两种方法:包括类光测地线法和Hamilton-Jacobi法;3.被最短时空效应推广的广义不确定性原理;4.引力量子场论的理论基础。第一章最后一小节给出了论文的结构安排。  第二章首先将含质量矢量粒子的隧穿推广到旋转黑洞(Kerr黑洞)和带电旋转黑洞(Kerr-Newmann黑洞)情形,分别得到了两种时空背景下的标准霍金温度,这项工作拓展了Hamilton-Jacobi方法的适用范围,并进一步证明了黑洞辐射的普遍性。最短时间间隔和空间距离效应是引力量子化的直接推论,它把海森堡不确定性原理推广到广义不确定性原理。在广义不确定性原理下引入新的能量、动量算符,矢量场的运动方程将被修正,矢量粒子霍金辐射的计算过程也随之改变。本论文分别计算了在广义不确定性原理框架下,Reissner-Nordstrom黑洞和Kerr黑洞背景中矢量粒子的隧穿行为,得到了经最短时空效应修正的霍金辐射温度。计算表明,考虑最短时空效应后,含质量矢量粒子的隧穿几率不仅与时空背景有关,还和粒子自身性质有关。  第三章研究了广义不确定性原理下五维黑弦的蒸发过程,为此综合考虑了标量粒子、狄拉克粒子和含质量矢量粒子在该时空的隧穿行为。需注意的是,引入广义不确定性原理的方法和文献中讨论广义不确定性原理对标量粒子和狄拉克粒子隧穿过程的影响时所用的方法是不同的。比较了广义不确定性原理对不同粒子隧穿过程的影响,并对黑弦蒸发过程中的热力学及可能存在的蒸发残余做了讨论。第三章最后一节以标量粒子为例,讨论了运用WKB近似研究最短时空效应对粒子隧穿过程影响的有效性问题。  第四章研究引力量子场论的静态球对称时空解。在忽略torsion效应的情况下,发现(anti-)de Sitter-Schwarzschild时空是真空Gravifield场方程的精确解;针对带荷情形,用向内(即向r减小方向)积分的方法研究了在无穷远处趋近于anti-de Sitter-Reissner-Nordstrom时空的数值解,并用打靶的方法研究了宇宙学常数为正时的黑洞解;也讨论了torsion效应不能忽略的情况,给出了一组待解函数应满足的微分方程。最后简单讨论了引力量子场论中点粒子的运动。  在最后一章对全文进行总结与展望。
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