弱宇宙监督假设的思想实验验证

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弱宇宙监督假设已经成为黑洞物理的一个重要基石,并且与黑洞热力学定律尤其是黑洞热力学第二定律有着深刻的联系。然而弱宇宙监督假设一直没有被证明,甚至缺乏严密的数学表述。也许这个假设最终会被证明是正确的,但用思想实验对它的研究,可以帮助我们更好地理解这个假设成立的深层次的条件以及它和黑洞热力学定律的内在联系。另一方面,如果弱宇宙监督假设可以被违背,这将为我们探索黑洞内部高曲率区域提供可能,为建立量子引力理论打开一个可能的实验验证的窗口。在本文中,我们用标量场和测试粒子入射到一系列极端和近极端黑洞,研究能否将这些黑洞的事件视界破坏,验证这些黑洞的弱宇宙监督假设是否成立。对于Kerr-Taub-NUT黑洞,之前关于Kerr-Taub-NUT黑洞的弱宇宙监督假设的研究并没有考虑这个黑洞的热力学定律,因而得到经典场能破坏极端和近极端Kerr-Taub-NUT黑洞,从而违背弱宇宙监督假设的结论。这和之前普遍认同的观点是相矛盾的。为了解决这个问题,我们结合最新的关于Kerr-Taub-NUT黑洞的热力学第一定律,并利用黑洞热力学第二定律,得到只携带能量和角动量的标量场和粒子入射到Kerr-Taub-NUT黑洞的过程的守恒荷,进而研究其弱宇宙监督假设。我们发现标量场入射不能破坏极端和近极端Kerr-Taub-NUT黑洞;粒子入射能破坏近极端黑洞但不能破坏极端黑洞。从而解决之前关于标量场入射到Kerr-Taub-NUT黑洞会违背弱宇宙监督假设的问题。用经典场和测试粒子入射到Kerr-Taub-NUT黑洞来验证弱宇宙监督假设,有助于我们理解NUT荷的起源及黑洞热力学和弱宇宙监督假设之间的关系。对于四维Einstein-Gauss-Bonnet黑洞,我们用带电复标量场和带电测试粒子入射验证该四维黑洞的弱宇宙监督假设,并研究了Gauss-Bonnet耦合常数对带电复标量场和带电测试粒子破坏黑洞事件视界的影响。研究发现,对于带电标量场入射的情形,极端和近极端带电Einstein-Gauss-Bonnet黑洞的事件视界不能被破坏,Gauss-Bonnet耦合常数影响较小;对于粒子入射,我们发现,近似到带电测试粒子的能量和电荷的二阶情形,由于非零的Gauss-Bonnet耦合常数的影响,极端和近极端带电Einstein-Gauss-Bonnet黑洞的事件视界都能被破坏。验证修改引力中的弱宇宙监督假设,可以让我们更好地理解弱宇宙监督假设成立的条件。另一方面,如果能违背弱宇宙监督假设,这将为我们探测黑洞内部提供可能,从而为建立量子引力提供有用信息。由于非奇异黑洞的事件视界内没有时空奇点,因而这一类黑洞并不会被弱宇宙监督假设保护,而这一类黑洞的事件视界的破坏还会为我们观测黑洞内部提供可能。我们用测试粒子和经典标量场入射到圈量子引力修正的非奇异旋转黑洞,验证能否将极端和近极端非奇异旋转黑洞的事件视界破坏,从而使外部观测者能观察到黑洞内部,并且我们探讨了量子修正参数对破坏事件视界的影响。研究中我们发现,对于粒子入射情形,由于量子修正的影响,极端和近极端非奇异旋转黑洞的事件视界都不能被破坏,并且量子修正参数越大,事件视界越难被测试粒子破坏。对于标量场入射情形,极端和近极端黑洞的事件视界都可以被破坏。圈量子引力中的这个非奇异旋转黑洞可以认为是圈量子引力对Kerr黑洞的修正。由于圈量子引力修正使得极端非奇异旋转黑洞的角速度与极端Kerr黑洞的角速度有些偏离,从而存在一个很窄的标量场模式区间可以将事件视界破坏。在我们对弱宇宙监督假设与黑洞热力学关系的探讨中,我们用经典标量场入射验证Kerr-Sen黑洞的弱宇宙监督假设,发现极端和近极端Kerr-Sen黑洞的事件视界都不能被标量场破坏,从而弱宇宙监督假设成立。此外,我们从黑洞热力学第二定律的角度给出了之前Düztas的研究中为何标量场入射可以破坏Kerr-Sen黑洞的事件视界。我们发现,Düztas假设的黑洞吸收的经典旋量场的波包的能量和角动量违背黑洞热力学第二定律。
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