【科學科普】霍金又對了!又一個公式誕生:能夠計算出黑洞視界上的霍金輻射

天空之城 2021/01/12 檢舉 我要評論
 

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文/天空之城

 

物理學家開發出了一個公式來計算黑洞視界上的霍金輻射,這使得物理學家可以確定:通過對愛因斯坦的引力理論(廣義相對論)進行量子修正,這種輻射將如何改變。

這個公式將能讓物理學家通過觀察黑洞來測試不同版本量子引力理論的準確性,並包括朝著長期尋求將量子力學和相對論聯繫起來的「大統一理論」邁出了一步,其研究成果發表在《物理評論D》期刊上。

(標題所述的公式如上圖)雖然愛因斯坦的引力理論(廣義相對論)與引力波相對應。但引力理論(廣義相對論)仍然留下了一些懸而未決的問題,包括奇點的性質、暗物質、暗能量和量子引力問題。此外,即使對引力波的觀測,也不排除另一種引力理論可能是準確的,它們可以用來描述黑洞。這些包含額外的量子理論與觀測到的黑洞合併圖景並不矛盾。

根據這些理論進行的計算預測,在彼此相距很遠的地方,黑洞行為是相同的。但同時,也展示了事件視界附近的重要特徵,即進入視界就沒有回頭路了。

人們認為不可能將目光投向黑洞的視界之外,因為沒有任何東西可以逃脫,包括粒子和輻射。然而,斯蒂芬·霍金證明了黑洞可以通過發射各種基本粒子來「蒸發」。

這意味著,隨著時間的推移,黑洞吸收的所有資訊都可能消失,這與人們對資訊的基本看法背道而馳,因為人們認為資訊不可能消失得無影無蹤。

因此,旨在消除這一悖論的另類引力理論變得更加流行,因為它們可以為量子引力理論做出貢獻。最有希望的方法之一是帶有伸縮子的愛因斯坦-伸縮子-高斯-波內特理論,它應用量子分量作為對廣義相對論的修正。

RUDN大學引力與宇宙學教育研究所研究員羅曼·科諾普亞表示:我們考慮的替代理論靈感來自弦理論的低能極限。也就是所謂具有伸縮子的愛因斯坦-伸縮-高斯-波內特理論,除了愛因斯坦的部分,它還包含二次曲率項和標量場。

為了描述黑洞如何對外部引力擾動做出反應,宇宙學家使用了准正則模的概念。模式是當外界作用于黑洞時發生的振盪,其特徵取決於撞擊的力和黑洞本身的參數。

它們被稱為准正規線,因為會隨著時間的推移而衰減,而且它們的振幅只能在一小段時間內測量到。這種振盪通常用頻率來描述,它的實部是週期振盪,虛部是衰減率。

這位RUDN大學的物理學家與捷克共和國科學家安東尼娜·津海洛和茲登·霍金一起,在具有伸縮子的愛因斯坦-擴張子-高斯-波內特理論中:以一個四維、球對稱和漸近平坦的黑洞為背景,研究了試驗場的經典(准標準)和霍金輻射。

得到了准正規模的Eikon態的解析式,並用它計算了測試標量場和麥克斯韋場的准正交模。並估算了愛因斯坦-膨脹-高斯-波內特黑洞的霍金輻射強度。

文本場是黑洞附近的所有場,因為它們在黑洞的背景上傳播(例如,狄拉克場或電磁場)。霍金輻射和狄拉克磁場的強度被證明是一個明顯比其准正交譜更敏感的特徵。表明對這些場的能量發射率分別增加了57%和48%。

通過研究黑洞幾何結構的量子修正,得到了黑洞霍金蒸發強度的估計值。經典輻射(如電磁波或其他波)與愛因斯坦只有幾個百分點的不同,也就是說,霍金輻射是一種更敏感的機制。

准正常模式是經典輻射的頻率,與量子模式不同,它與愛因斯坦的情況差別不大。未來,也許通過觀察早期宇宙中出現的原始黑洞,這可能會證明對引力理論量子修正的想法。

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