發(fā)布時間：2017-10-16 07:34

  本文關(guān)鍵詞：微弱信號檢測及其在引力量子效應(yīng)驗(yàn)證中的應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 微弱信號檢測 引力量子效應(yīng) Hawking輻射 黑洞熵 模擬引力 聲學(xué)黑洞 復(fù)合左/右手傳輸線

【摘要】：引力量子效應(yīng)的驗(yàn)證一直是物理學(xué)界和信號信息處理學(xué)界極為關(guān)注的研究課題。一方面,引力量子化迄今仍然是物理學(xué)中一個懸而未決的重大研究課題,它的最終解決必將是物理學(xué)中里程碑式的成就。因此,尋找有效的手段來實(shí)現(xiàn)各種量子化方案中的引力量子效應(yīng)驗(yàn)證,就是一個至關(guān)重要的問題。另一方面,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證引力量子效應(yīng),本質(zhì)上只能通過某些非常微弱的光電信號反映出來,所以,在量子水平上實(shí)現(xiàn)微弱光電信號的檢測就成為引力量子效應(yīng)驗(yàn)證的必由之路。近年來,由于低溫和微尺度實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,原先被認(rèn)為令人難以理解的一些量子相干現(xiàn)象已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上能夠觀測和操縱,進(jìn)而引發(fā)了學(xué)術(shù)界對量子調(diào)控領(lǐng)域研究的熱潮。本論文的重要研究內(nèi)容：黑洞的Hawking輻射,一直是人們非常關(guān)注的熱點(diǎn)。盡管歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,人們不再懷疑該理論的正確性,但是該理論至今也未能從實(shí)驗(yàn)上得到很好的驗(yàn)證。主要面臨以下幾個困難：(1)由于黑洞不發(fā)光,目前還未能通過天文觀測手段,在宇宙空間中找到任何一個黑洞。即使將來能夠觀測到黑洞,由于黑洞與地球距離往往達(dá)到很多光年之遙,幾乎不可能直接探測Hawking輻射；(2)由于宇宙空間中存在2.725K左右的微波背景輻射,該輻射溫度往往比黑洞Hawking輻射高,因此即使我們探測到了黑洞,要探測其輻射溫度也是相當(dāng)困難的。近年來國內(nèi)外一些學(xué)者提出通過自行營造很低的環(huán)境溫度,可以在實(shí)驗(yàn)室模擬與黑洞類似的系統(tǒng),藉此來驗(yàn)證黑洞存在Hawking輻射。這些模擬系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證黑洞Hawking輻射提供了一種新的途徑,使得對黑洞Hawking輻射的研究再次成為理論物理領(lǐng)域的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。然而,目前所報道的這些方案更傾向于一些理想化的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想模型,要從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中探測Hawking輻射效應(yīng)還存在諸多困難,其中最主要的困難在于：需要探測的Hawking輻射溫度極低,這對實(shí)驗(yàn)精度要求非常高；此外如何判斷在這些模擬系統(tǒng)中黑洞視界的形成條件也是此類模擬實(shí)驗(yàn)中需要解決的重要技術(shù)難題。盡管從理論上,能夠從這些模擬系統(tǒng)中令人信服地推導(dǎo)出建立黑洞視界的條件,但目前看來,如何將該條件轉(zhuǎn)化成在一種可視化的物理行為,仍然存在很大困難。所以我們希望找到一種在目前技術(shù)水平上更為容易調(diào)控、探測和更可靠的實(shí)驗(yàn)方案。本文的工作可分為兩部分：第一部分為關(guān)于黑洞Hawking輻射以及熵等相關(guān)量子熱效應(yīng)的理論研究：首先我們采用一種改進(jìn)的烏龜坐標(biāo)變換關(guān)系分別研究了非穩(wěn)態(tài)Kerr黑洞中的標(biāo)量粒子和Dirac粒子的Hawking輻射,以及加速Kinnersley黑洞中Weyl中微子的Hawking輻射。與以往采用的烏龜坐標(biāo)變換得到結(jié)果進(jìn)行比較,我們發(fā)現(xiàn)采用不同烏龜坐標(biāo)變換計(jì)算所得到的輻射溫度在數(shù)值上存在明顯偏差,在特定參數(shù)條件下,這一偏差率甚至能達(dá)到2個數(shù)量級。由于目前還沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯訙y量Hawking輻射溫度,暫時還很難有令人信服的判據(jù)來判斷,究竟哪一種烏龜坐標(biāo)變換所導(dǎo)致的結(jié)果才是符合物理實(shí)際的,進(jìn)一步說明了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Hawking輻射等其他引力量子效應(yīng)的重要性和必要性。其次,我們嘗試了采用非平衡Landauer傳輸模型來描述Kaluza-Klein黑洞的Hawking輻射。發(fā)現(xiàn)采用該模型描述Kaluza-Klein黑洞的Hawking輻射時,通道中相應(yīng)的能流與采用規(guī)范和引力反常方法得到Hawking輻射結(jié)果是協(xié)調(diào)自洽的。這為我們后續(xù)工作中利用復(fù)合左/右手傳輸線模擬黑洞的Hawking輻射奠定了理論基礎(chǔ)。最后,我們對Majhi和Vagenas提出的利用絕熱不變量計(jì)算黑洞熵的方法進(jìn)行討論,并采用修正后的絕熱不變量方法,研究Kerr-Sen黑洞的熵譜及面積譜性質(zhì)。我們得到的結(jié)果與目前被廣泛認(rèn)可的結(jié)論一致,即熵譜是量子化且等間隔的；但目前仍然缺乏一個有說服力的判據(jù),來判斷面積譜是否等間距。本文的第二部分主要是關(guān)于引力量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,主要內(nèi)容有：首先從聲學(xué)黑洞模型出發(fā),我們簡要回顧了模擬引力的發(fā)展；其次介紹了模擬黑洞Hawking輻射的幾個代表性實(shí)驗(yàn),并討論了這些實(shí)驗(yàn)所面臨的實(shí)際困難。最后基于復(fù)合左／右手傳輸線的性質(zhì),我們提出一種在復(fù)合左／右手傳輸線中模擬黑洞Hawking輻射的方法,在傳輸線中建立了Painleve-Gullstrand形式的度規(guī),討論了從實(shí)驗(yàn)上判斷傳輸線中視界形成條件的可能性,并對實(shí)驗(yàn)存在的誤差以及相應(yīng)的改進(jìn)途徑進(jìn)行了分析。我們通過分析復(fù)合左／右手傳輸線的相位變化關(guān)系發(fā)現(xiàn),在躍遷頻率處傳輸線的相變?yōu)榱?而且在該瞬間,相速度為無窮大(相速度會從負(fù)值到正值突變),該特性可以作為形成黑洞視界的有效判據(jù)；最后我們通過分析傳輸線有效Hamiltonian的方法,對傳輸線進(jìn)行量子化處理；并討論了調(diào)控有效探測擾動光子流產(chǎn)生方向的途徑。本方案將黑洞視界與復(fù)合左／右手傳輸線的躍遷頻率建立了有效聯(lián)系,通過觀測躍遷頻率處傳輸線的相變特性來判斷黑洞視界的建立條件。與以往類似的Hawking輻射模擬實(shí)驗(yàn)相比,本方案將更有可能實(shí)現(xiàn)Hawking輻射模擬,本實(shí)驗(yàn)的抗噪聲干擾能力更強(qiáng),這對黑洞Hawking輻射的驗(yàn)證及探測具有重要參考價值。本文的主要研究內(nèi)容屬于微弱信號檢測和量子物理實(shí)驗(yàn)研究的前沿課題。我們研究的體系屬于介觀系統(tǒng),現(xiàn)在這方面的研究已成為量子物理學(xué)研究中一個令人矚目的領(lǐng)域,這也是量子物理領(lǐng)域中一個非常重要的研究課題。通過本課題的研究,我們揭示了局部真空量子漲落所導(dǎo)致的宏觀量子現(xiàn)象的物理圖像,相關(guān)研究成果將為微弱信號檢測以及在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子調(diào)控與量子測量提供重要參考。
【關(guān)鍵詞】：微弱信號檢測 引力量子效應(yīng) Hawking輻射 黑洞熵 模擬引力 聲學(xué)黑洞 復(fù)合左/右手傳輸線
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O413
【目錄】：

• 摘要6-8
• 英文摘要8-13
• 第1章 緒論13-24
• 1.1 微弱信號檢測13-16
• 1.2 黑洞量子熱效應(yīng)16-18
• 1.3 高頻引力波18-21
• 1.4 論文內(nèi)容與結(jié)構(gòu)21-24
• 第2章 非穩(wěn)態(tài)黑洞的量子熱效應(yīng)24-43
• 2.1 非穩(wěn)態(tài)Kerr黑洞的Hawking輻射25-34
• 2.1.1 標(biāo)量粒子Hawking輻射26-29
• 2.1.2 Dirac粒子 Hawking輻射29-32
• 2.1.3 數(shù)值模擬及討論32-34
• 2.2 Kinnersley黑洞中Weyl中微子的Hawking輻射34-43
• 2.2.1 變加速直線運(yùn)動黑洞34-38
• 2.2.2 任意加速運(yùn)動黑洞38-40
• 2.2.3 數(shù)值模擬及討論40-43
• 第3章 黑洞Hawking輻射的Landauer傳輸模型描述43-54
• 3.1 Landauer傳輸模型43-46
• 3.2 二維量子通道與Hawking輻射46-49
• 3.3 Kaluza-Klein黑洞Hawking輻射49-54
• 第4章 絕熱不變量與黑洞熵54-61
• 4.1 絕熱不變量54-57
• 4.2 Kerr-Sen黑洞熵譜57-60
• 4.3 小結(jié)與討論60-61
• 第5章 Hawking輻射的實(shí)驗(yàn)室模擬61-72
• 5.1 聲學(xué)黑洞61-64
• 5.2 流體黑洞64-68
• 5.3 超材料全方向吸收器68-72
• 第6章 利用傳輸線模擬黑洞72-86
• 6.1 利用電磁波導(dǎo)傳輸線模擬Hawking輻射72-78
• 6.1.1 電磁波導(dǎo)中視界方程的建立72-74
• 6.1.2 正則量子化與Hawking輻射74-78
• 6.2 利用DC-SQUID傳輸線模擬Hawking輻射78-86
• 6.2.1 SQUID傳輸線中視界方程的建立78-82
• 6.2.2 參數(shù)分析與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)82-86
• 第7章 利用復(fù)合左/右手傳輸線模擬Hawking輻射86-103
• 7.1 左手材料研究進(jìn)展86-90
• 7.2 復(fù)合左/右手傳輸線90-93
• 7.3 傳輸線中的視界與Hawking輻射93-96
• 7.4 傳輸線量子漲落96-103
• 總結(jié)與展望103-105
• 致謝105-106
• 參考文獻(xiàn)106-116
• 附錄116-118
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1041393