破解30年历史的黑洞谜团！dilaton黑洞可以存在超长寿命

　　来源：微信公众号Research科学研究
　　近期，济南大学黄洋博士、张宏升教授报道了dilaton黑洞周围不依赖于超辐射机制的、长寿命的（可以超过宇宙年龄）狄拉克云，解决了一个有30年历史的谜团：极端dilaton黑洞（a1）与基本粒子的关系。
　　相关成果以DiracCloudsaroundDilatonicBlackHoles为题发表在Research上。
　　研究背景
　　黑洞无毛定理表明，黑洞可由三个参数完全描述，即质量、角动量和电荷。这一点使得黑洞看起来与基本粒子非常相似。
　　如图1所示，黑洞和基本粒子有若干相似之处，它们都由有限个参量描述。对与基本粒子而言通常是质量、电荷、自旋、颜色等；对于黑洞而言是质量、电荷、角动量。
　　图1上：被虚粒子云包裹的基本粒子；下：黑洞
　　但另一方面，黑洞的热力学性质，包括数值非常巨大的熵和有限的温度，说明它内部存在数目惊人的自由度。从这一点看，黑洞又跟基本粒子有根本差异。
　　黑洞内部有数目极大的自由度，这一点也可以从如下事实看出：黑洞附近（准）束缚态粒子不可避免地会衰变，因为它会通过量子隧道效应穿透视界附近的势垒向黑洞内部渗透。
　　如果渗透过程是幺正过程，那么黑洞内部必然存在自由度容纳这些渗透进来的粒子。
　　CHolzhey和FWilczek（1992）以及JPreskill，PSchwarz，AShapere，STrivedi，和FWilczek（1991）做出过一个有趣的观察：极端dilaton黑洞（a1）的熵是零，有可能不具有内部自由度，从而真正成为一个基本粒子。
　　他们猜想，对于a1的极端黑洞，此时黑洞周围的粒子向黑洞内部渗透的过程停止；而对于直接从弦论导出的a1的极端黑洞的理论，他们认识到这是一个令人极端困惑的谜团（enigma）（图2）。
　　图2通常黑洞拥有极其巨大的熵，其值等于视界面积（以普朗克面积为单位衡量）；而基本粒子熵为零（冯诺依曼熵）
　　研究进展
　　多年前研究人员就发现黑洞与基本粒子有若干相似之处。30年前有研究猜测极端dilaton黑洞可能模拟一个基本粒子。
　　如图3所示，极端dilaton黑洞在视界面积是零，而极端RN黑洞视界面积非零。
　　而更加令人惊奇的，对于极端dilaton黑洞，在视界内部r常数的球面，其面积是负数。
　　当然，此时r是类时坐标，r2不再有面积的几何意义。从物理上讲，视界此时类光，是一堵终极性的墙，所有演化到此被迫停止，实际上极端dilaton黑洞的内部可能并无意义。
　　图3极端dilaton黑洞与极端ReissnerNordstrm（RN）黑洞对比
　　济南大学黄洋博士、张宏升教授的研究表明，带电dilaton黑洞周围可以稳定存在寿命极长的狄拉克云，其构型与氢原子非常相似，相当程度上可以看做一个巨大的原子。
　　该研究发现，当黑洞由非极端连续过渡到极端时，视界处的边界条件也自然由吸收边界条件过渡到狄利克雷边界条件，满足波函数在视界处消失，恰如氢原子波函数在r0处消失。
　　也就是说，此时黑洞视界相当于氢原子的中心。从另一方面看，黑洞视界面积在黑洞趋于极端时也恰好消失，佐证了视界相当于氢原子的中心点。
　　由此，该工作非常有力地证明了极端dilaton黑洞完美模拟一个基本粒子，提供了dilaton黑洞性质的一个深刻洞察，代表了近年来黑洞物理的一个基础性进展。
　　图4极端dilaton黑洞周围磁量子数m0的稳态云示意图（n表示主量子数，l表示角量子数）
　　进一步地，该工作深入分析了云的形成机理，指出有效势的厚度趋于无穷大，高度趋于常数（对于特定轨道角动量的粒子），因而总能量低于势垒高度的粒子将会形成束缚态，而且此束缚态不能向黑洞内部渗透，故此不会衰变（图5）。
　　图5极端dilaton黑洞背景上粒子的有效势及束缚态波函数示意图（蓝色表示乌龟坐标下有效势的形状，彩色表示束缚在有效势阱中的波函数。下图层为对应波函数的密度图。在此背景上，束缚态粒子的寿命可以任意长，超过宇宙的年龄）
　　对于广义相对论的对应物，即RN黑洞，情况明显不同。
　　围绕在极端RN黑洞周围粒子的有效势比之非极端情况定性上并无特别之处，因而（准）束缚态粒子的向黑洞内部渗透的过程不会停止，因而不能形成稳定的云（图6）。
　　图6极端RN黑洞背景上的粒子的有效势（上图）及其对应的平面图（下图），与极端dilaton黑洞不同，视界附近运动的粒子（红点表示）会有一定的机会渗入黑洞内部
　　未来展望
　　黑洞的云模型未考虑云对于度规的反作用。如果计及云对度规的反作用，那么云将会成为一根毛。
　　Dilaton黑洞的dilaton场并不是一根毛，因为这个场是由电荷决定的，不是一个独立的存在。该工作中考虑的云将会是一个独立的场，不依赖于电荷的大小。
　　另外，极端dilaton黑洞的量子力学也是很值得继续研究的重要课题。因为极端dilaton黑洞背景中的量子扰动会变得很大，以至于热力学描述可能已经失效，需要直接从量子力学出发考虑问题。
　　作者简介
　　黄洋博士现任济南大学讲师，在黑洞动力学领域有精深的研究，发表高水平论文10数篇。
　　张宏升教授现任济南大学教授，理论物理学科带头人。在引力物理的相关领域包括黑洞物理、引力波、精确解、暗物质和暗能量、暴涨和原初扰动都有广泛兴趣，取得多项卓越的原创性成果，推动了相关领域的显著进展，发表论文60余篇。