黑洞微观行为之谜

黑洞的微观结构一直以来是一个巨大的挑战,最近的一项研究成果从热力学的角度初步揭示了黑洞的微观行为,该成果发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy2019年第1期。

随着引力波的首次探测与发现, 黑洞, 这个具有神秘色彩的客观物体在大众中引起了广泛的讨论与兴趣。对于科学家而言, 黑洞是能够承接量子力学和广义相对论的重要桥梁。一直以来, 黑洞的微观结构是科学家面临的一个巨大难题。最近的一项研究成果从热力学的角度初步揭示了黑洞的微观之谜。

相关的研究论文题目为“Interaction potential and thermo-correction to the equation of state for thermally stable Schwarzschild anti-de Sitter black holes”, 发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2019年第1期, 由南开大学物理科学学院缪炎刚教授及其博士生许震明共同完成。

从热力学的角度研究黑洞已成为不可争论的事实。大量的研究表明, 黑洞具有温度和熵, 同时在一定的条件下能够发生相变。那么探索黑洞的微观结构就成为了一个很自然的、急需解决的重要研究问题。从数学的角度, 科学家利用弦论、超对称理论来解释黑洞的微观结构；从热力学的角度, 科学家提出了“黑洞分子”(图1)和“时空原子”的假设来探索黑洞的微观行为。这两方面的研究都取得了一定的进展。

图1 “黑洞分子”假说, 即把黑洞视界面划分成若干普朗克面积大小的“像素”, 这些“像素”对应于“黑洞分子”(图片来源于arXiv:1309.0901[gr-qc]).

该研究采用Ruppeiner热力学几何的方法, 结合“黑洞分子”假设和微观粒子数密度的概念,完全从热力学角度研究了热稳定Schwarzschild anti-de Sitter黑洞(图2)的微观行为, 给出了该黑洞微观行为的一个很自然的解释。

该研究指出, 在该黑洞内部, 黑洞分子之间的相互作用力是以吸引力为主。同时首次提出“黑洞分子势”的描述, 并且给出了热稳定Schwarzschild anti-de Sitter黑洞的分子势的具体表达式及其合理性、有效性的分析。另外, 基于提出的分子势描述, 该研究计算了分子势对于黑洞物态方程的修正, 并且分析了修正项的合理性。

图2 热稳定Schwarzschild anti-de Sitter黑洞：黑色曲线表示Schwarzschild anti-de Sitter黑洞的温度与熵的关系图(分别以温度和熵的最小值为单位), 其中的黑色圆点表示热稳定Schwarzschild anti-de Sitter黑洞(等压热容CP>0).

该研究中“分子势”的提出具有新颖性和创新性, 一方面丰富了黑洞热力学的研究内容和研究深度, 另一方面为探索黑洞微观结构提供了一个新的视角, 具有重要的科学意义和参考价值。

基金资助

该研究得到了国家自然科学基金项目11675081的资助。

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Y.-G.Miao, and Z.-M. Xu, Interaction potential and thermo-correction to the equation of state for thermally stable Schwarzschild anti-de Sitter black holes, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 62, 010412 (2019)