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科技日報記者 頡滿斌
近日，蘭州大學物理科學與技術學院引力團隊教授魏少文、劉玉孝與加拿大滑鐵盧大學Robert B. Mann教授合作，利用段一士提出的Φ映射拓撲流理論研究了熱力學參數(shù)空間中黑洞解的拓撲性質。將黑洞解本身看作一類特殊的拓撲缺陷后，構造了獨立于黑洞內稟參數(shù)的拓撲數(shù)，提出了研究黑洞熱力學拓撲性質的新方法。相關研究工作發(fā)表在物理學頂級期刊《物理評論快報》上，并被遴選為當期編輯推薦文章。
魏少文介紹，近年來，黑洞熱力學的研究是當前黑洞物理研究領域的重要前沿課題。蘭州大學引力團隊密切關注這方面的研究進展，取得了一系列重要的研究成果。包括基于黑洞相變方面的研究基礎，提出了“黑洞微觀分子”模型，指出可以通過研究小大黑洞相變來考察黑洞微觀自由度之間的相互作用，借助黑洞霍金溫度等宏觀量來揭示微觀性質，這一思路為理解黑洞的微觀結構提供了新途徑。同時，研究結合統(tǒng)計物理漲落理論，發(fā)展了一套揭示黑洞潛在微觀分子間相互作用的一般方法，發(fā)現(xiàn)不同于一般的流體系統(tǒng)，黑洞微觀分子之間可存在排斥相互作用，揭示了黑洞熱力學性質的獨特性。
魏少文說，目前，拓撲這一數(shù)學工具已經(jīng)應用到物理學的各個研究領域。在黑洞熱力學中，不同類型的黑洞具有不同的熱力學宏觀量。對于同一類型的黑洞，在特定溫度下可能有不同的黑洞相，它們可能是局域穩(wěn)定的，也可能是局域不穩(wěn)定的。能否從拓撲上區(qū)分它們并給出一般性的結論，是個有趣且重要的問題。
蘭州大學引力團隊從推廣的自由能出發(fā)，構造了一個矢量場，該矢量場的零點代表了黑洞解本身。借助于這一性質，利用段一士Φ映射拓撲流理論提出了一個新的拓撲數(shù)。從局域角度而言，局域穩(wěn)定的黑洞相具有正的局域拓撲數(shù)，而局域不穩(wěn)定的則具有負的局域拓撲數(shù)。進一步，對于同一類黑洞，所有局域拓撲數(shù)求和便可得到整體拓撲數(shù)。于是，從整體角度而言，可根據(jù)整體拓撲數(shù)來對黑洞進行拓撲分類。根據(jù)該分類，具有相同整體拓撲數(shù)的黑洞（即使它們是不同類型的黑洞）具有類似的熱力學性質。
“由于這些拓撲數(shù)是不依賴于黑洞具體參數(shù)的普適常數(shù)，它們對理解黑洞和引力本質問題具有重要意義，對量子引力理論的建立或許會提供新的線索。”魏少文說。
黑洞是時空曲率大到光都無法逃脫的天體，黑洞熱力學是現(xiàn)代黑洞物理學的主要組成部分。自20世紀70年代霍金和貝肯斯坦等著名物理學家建立黑洞熱力學之后，黑洞的熱力學性質已經(jīng)得到了廣泛研究和關注。由于涉及到量子力學、統(tǒng)計物理和廣義相對論等多個學科，黑洞熱力學的研究有助于認識黑洞和引力的本質，是深入理解量子引力理論的有效途徑。
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