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Hawking关于黑洞具有热辐射的发现建立了引力、量子场论和热力学之间深刻的联系,黑洞的Hawking辐射成为黑洞热力学研究的热点。人们试图通过各种基本物理方法和思想来解释黑洞的这种热性质,新的研究成果层出不穷。本文主要内容涉及用Hamilton-Jacobi方法来计算半经典近似Hawking辐射的高阶修正,讨论黑洞热力学特征曲面的相关问题及黑洞与一般热力学系统的关系等。主要研究内容如下:
第一章将介绍黑洞Hawking辐射及计算Hawking辐射的三种方法,接着考察粒子反作用对Hawking辐射的热谱修正,最后介绍用Hamilton-Jacobi方法来计算半经典近似一般球对称黑洞Hawking辐射的高阶修正。
第二章用类光测地线的方法计算了来自类Schwarzschild黑洞视界的Hawk-ing辐射。因表观视界和事件视界相互重合,在视界上可以建立热力学定律。当给视界一个相对性的微扰,我们发现在接近视界的一个新超曲面上仍可以建立热力学第一定律。特征曲面的位置和温度的表达式与先前在Vaidya黑洞事件视界建立热力学关系的情况相似。于是我们得出这样的结论:动态黑洞的热力学关系应该建立在表观视界上,而事件视界上的热力学只是表观视界附近的一个微扰。
第三章用Hamilton-Jacobi方法计算半经典近似一般轴对称黑洞Hawking辐射的高阶修正。通过分析Dirac粒子穿过事件视界的Hawking辐射,我们发现fermion粒子作用量中的量子高阶修正项都正比于半经典近似零阶修正项。利用不可约质量和热力学第一定律,我们得到Kerr-Newmann黑洞的Hawking温度和Bekenstein-Hawking熵的高阶修正值。
第四章把黑洞看成是黑体系统,用黑体辐射理论来分别研究Schwarzschild黑洞和Kerr-Newmann黑洞的热性质。我们得到的结论是只有处于变化过程的黑洞才能看成是一般理想黑体系统,而处于静态球对称的黑洞不能平滑地看成一般黑体系统。黑洞存在区别于一般热力学系统的特殊性质,这意味着黑洞本性就应该是动态的,至少把它看成是一个黑体的情况是这样的。