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Hopf不变量的拓扑结构和黑洞量子辐射的研究

李然  
【摘要】: 本论文在拓扑场论和广义相对论两个领域做了深入的研究工作.拓扑场论方面,运用段氏拓扑流理论研究了微分几何和拓扑学中的一个重要的拓扑不变量—Hopf不变量的内部拓扑结构,得出了表征Hopf不变量与扭结缠绕数之间关系的准确表达式。广义相对论方面,主要研究了黑洞的量子辐射,分别利用量子遂穿的机制和量子反常的方法研究了一系列黑洞时空和FRW宇宙表观视界的Hawking辐射问题。 首先,本论文研究了Hopf不变量的拓扑结构,以及它在规范场理论中的应用.对于最简单的情况,我们从Hopf映射的旋量表示入手,得到了两个重要结论,一是Hopf不变量实际上是Hopf映射的映射度,二是表征Hopf不变量与扭结不变量之间关系的准确表达式。对于高阶Hopf不变量的情况,利用段氏拓扑流理论,我们推导出了关于Hopf不变量的一个比较繁杂的表达式,根据数学方面关于高阶扭结的文献,从高维扭结缠绕数的定义出发推导出了其表达式,最终发现了Hopf不变量与高维扭结缠绕数之间的关系。基于这些工作,我们还研究了Skyrme-Faddeev模型中扭结状拓扑缺陷的拓扑根源,解释了Hopf不变量是描述其扭结状拓扑缺陷的合适的拓扑不变量. 其次,本论文利用量子遂穿的机制研究了标量粒子和费米子在黑洞时空中的Hawk-ing辐射问题。对于标量粒子或者光子的Hawking辐射,分别利用类光测地线方法和Hamilton-Jacobi方法,我们计算了Dilaton引力理论中的球对称黑洞,转动的Kaluza-Klein黑洞和Kerr-Sen黑洞的Hawking温度,由于未考虑辐射标量粒子之间的自引力相互作用,得到了纯热谱形式的辐射谱.我们还运用量子遂穿的模型研究了稳态转动的BTZ黑洞和Kerr黑洞时空中费米子的Hawking辐射.通过对相应背景时空中的广义协变Dirac方程作WKB近似,我们推导出了Hawking热辐射的费米谱. 第三,我们利用量子反常取消的机制分别研究了转动带电荷的Godel黑洞背景中标量场和一般稳态(2+1)维黑洞背景中费米场的Hawking辐射问题.通过对Godel黑洞背景中标量场的作用量和一般稳态(2+1)维黑洞背景中费米场的作用量进行维数约化,我们发现它们均可以由两维等效理论所描述。通过对等效的两维时空背景中反常方程的求解,我们得到了遵守Hawking分布的角动量通量和能量通量。 最后,我们研究了FRW宇宙表观视界的Hawking辐射问题,分别利用费米子遂穿的机制和表观视界引力反常的方法推导出了表观视界的Hawking温度,解决了在研究FRW宇宙的热力学时对表观视界Hawking温度的假设问题.


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