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通過規范對稱原理約束旋轉黑洞的動力學

發帖時間：2025-12-09 13:55:24

[探索] 來源：桑間濮上網

通過規范對稱原理約束旋轉黑洞的動力學。信用:uux.cn/CC0公共領域
（神秘的規范地球uux.cn）據美國物理學家組織網（英格麗德·法德利）：2015年，Virgo處女座實驗是對稱的動一項基于美國兩個天文臺的大規模研究工作，首次直接觀測到了引力波。原理約束這個重要的旋轉里程碑促使世界各地的物理學家在Virgo處女座合作收集的數據基礎上，為黑洞的黑洞動力學設計新的理論描述。
烏普薩拉大學、力學牛津大學和蒙斯大學的通過研究人員最近開始解釋克爾黑洞的動力學，利用大質量高自旋粒子理論，規范從理論上預測了以恒定速度旋轉的對稱的動黑洞。他們發表在《物理評論快報》上的原理約束論文特別提出，這些旋轉黑洞的旋轉動力學受到規范對稱原理的約束，這表明物理系統參數的黑洞一些變化不會產生可測量的影響。
論文的力學合著者Henrik Johansson告訴Phys.org:“我們追求旋轉的Kerr黑洞和大質量高自旋粒子之間的聯系。”“換句話說，通過我們將黑洞建模為一個旋轉的基本粒子，類似于量子電動力學中如何處理電子。”
克爾黑洞和更高自旋理論之間的聯系首次在2019年發表的兩篇不同的論文中進行了探索。第一項研究是由阿爾弗雷多·格瓦拉(Alfredo Guevara)和他在歐洲的合作者進行的，而第二項研究是由國立臺灣大學的鐘明志(Ming-Zhi Chung)和他在首爾國立大學的同事進行的。
這兩項先前的工作都顯示，眾所周知的克爾度規可以與無限多的高自旋散射振幅相匹配。作為先前研究的一部分，這些振幅首先由物理學家尼瑪·阿卡尼·哈姆德、子黃晨和黃玉田獲得。
“盡管這些先前的結果令人矚目，但鑒于即將到來的實驗，如愛因斯坦望遠鏡、LISA和宇宙探測器，它們還不足以準確描述克爾黑洞動力學，”約翰松說。“黑洞康普頓散射振幅中包含一些重要的缺失信息，目前對于一般自旋是未知的。”
在他們的論文中，Johansson和他的同事提出，規范對稱原理可以用來成功地約束旋轉黑洞的動力學。研究人員表明，由Ernst Stueckelberg首先概述的機制提供的大規模更高自旋規范對稱性，后來由Yurii Zinoviev正式確定，可用于重現以前論文中報告的克爾散射振幅。
“我們還表明，未知的康普頓散射振幅受到嚴重限制，即使實現唯一性需要進一步的輸入，”約翰遜說。
“高自旋量子場論(qft)因其復雜性而臭名昭著。即使是低自旋的qft，比如標準模型的自旋為1的情況，廣義相對論的自旋為2的情況，當然也很復雜，它們的公式從根本上依賴于規范對稱性和微分同胚對稱性(廣義協變性)。這兩種對稱可以看作是被稱為高自旋規范對稱的無限階梯上最低的兩級。”
雖然規范對稱對于描述大質量粒子的動力學來說不是必要的，但它已經被證明是描述一致相互作用的一個有價值的工具。這種大質量規范對稱性的一種實現是所謂的希格斯機制。
“使用黑洞的大規模高自旋規范對稱性，我們可以確保自旋自由度得到一致的對待，并寫下一個有效的拉格朗日函數，”Johansson解釋說，“拉格朗日函數既給出了對克爾黑洞的正確高自旋描述，又具有相當好的高能行為。良好的高能行為對經典黑洞并不重要，但它給了一些信心，即有效理論也可能描述某些量子過程。”
Johansson和他的同事首次將高自旋規范對稱性應用于黑洞。他們的初步計算結果是有希望的，可能很快為探索這種聯系的進一步研究鋪平道路。
“雖然我們預計理解旋轉黑洞的完整有效理論還需要一些時間，但我們認為更高自旋的規范對稱性將是其形成的關鍵組成部分，類似于規范對稱性和微分同胚對稱性如何指導20世紀物理學的理論框架，”約翰松說。“克爾黑洞的完整康普頓散射振幅仍然是個謎，但我們非常希望在未來能夠完全限制它。這涉及到理解它的任意自旋級，以及牛頓常數的更高階。
完全約束克爾黑洞的散射振幅最終將需要研究大質量更高自旋粒子的理論物理學家和試圖解決植根于廣義相對論的所謂Teukolsky方程的人之間的密切合作。這些不同的研究團體之間最近的合作表明，在這個方向上可能很快會取得進展。
“在我們接下來的工作中，我們還想進一步探索黑洞和它們的量子屬性之間的聯系，這讓人想起基本粒子，”Johansson補充道。

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