通过规范对称原理约束旋转黑洞的动力学

熊明青

通过规范对称原理约束旋转黑洞的动力学。信用:CC0公共领域

（）据美国物理学家组织网（英格丽德·法德利）：2015年，Virgo处女座实验是一项基于美国两个天文台的大规模研究工作，首次直接观测到了引力波。这个重要的里程碑促使世界各地的物理学家在Virgo处女座合作收集的数据基础上，为黑洞的动力学设计新的理论描述。

乌普萨拉大学、牛津大学和蒙斯大学的研究人员最近开始解释克尔黑洞的动力学，利用大质量高自旋粒子理论，从理论上预测了以恒定速度旋转的黑洞。他们发表在《物理评论快报》上的论文特别提出，这些旋转黑洞的动力学受到规范对称原理的约束，这表明物理系统参数的一些变化不会产生可测量的影响。

论文的合著者Henrik Johansson告诉Phys.org:“我们追求旋转的Kerr黑洞和大质量高自旋粒子之间的联系。”“换句话说，我们将黑洞建模为一个旋转的基本粒子，类似于量子电动力学中如何处理电子。”

克尔黑洞和更高自旋理论之间的联系首次在2019年发表的两篇不同的论文中进行了探索。第一项研究是由阿尔弗雷多·格瓦拉(Alfredo Guevara)和他在欧洲的合作者进行的，而第二项研究是由国立台湾大学的钟明志(Ming-Zhi Chung)和他在首尔国立大学的同事进行的。

这两项先前的工作都显示，众所周知的克尔度规可以与无限多的高自旋散射振幅相匹配。作为先前研究的一部分，这些振幅首先由物理学家尼玛·阿卡尼·哈姆德、子黄晨和黄玉田获得。

“尽管这些先前的结果令人瞩目，但鉴于即将到来的实验，如爱因斯坦望远镜、LISA和宇宙探测器，它们还不足以准确描述克尔黑洞动力学，”约翰松说。“黑洞康普顿散射振幅中包含一些重要的缺失信息，目前对于一般自旋是未知的。”

在他们的论文中，Johansson和他的同事提出，规范对称原理可以用来成功地约束旋转黑洞的动力学。研究人员表明，由Ernst Stueckelberg首先概述的机制提供的大规模更高自旋规范对称性，后来由Yurii Zinoviev正式确定，可用于重现以前论文中报告的克尔散射振幅。

“我们还表明，未知的康普顿散射振幅受到严重限制，即使实现唯一性需要进一步的输入，”约翰逊说。

“高自旋量子场论(qft)因其复杂性而臭名昭著。即使是低自旋的qft，比如标准模型的自旋为1的情况，广义相对论的自旋为2的情况，当然也很复杂，它们的公式从根本上依赖于规范对称性和微分同胚对称性(广义协变性)。这两种对称可以看作是被称为高自旋规范对称的无限阶梯上最低的两级。”

虽然规范对称对于描述大质量粒子的动力学来说不是必要的，但它已经被证明是描述一致相互作用的一个有价值的工具。这种大质量规范对称性的一种实现是所谓的希格斯机制。

“使用黑洞的大规模高自旋规范对称性，我们可以确保自旋自由度得到一致的对待，并写下一个有效的拉格朗日函数，”Johansson解释说，“拉格朗日函数既给出了对克尔黑洞的正确高自旋描述，又具有相当好的高能行为。良好的高能行为对经典黑洞并不重要，但它给了一些信心，即有效理论也可能描述某些量子过程。”

Johansson和他的同事首次将高自旋规范对称性应用于黑洞。他们的初步计算结果是有希望的，可能很快为探索这种联系的进一步研究铺平道路。

“虽然我们预计理解旋转黑洞的完整有效理论还需要一些时间，但我们认为更高自旋的规范对称性将是其形成的关键组成部分，类似于规范对称性和微分同胚对称性如何指导20世纪物理学的理论框架，”约翰松说。“克尔黑洞的完整康普顿散射振幅仍然是个谜，但我们非常希望在未来能够完全限制它。这涉及到理解它的任意自旋级，以及牛顿常数的更高阶。

完全约束克尔黑洞的散射振幅最终将需要研究大质量更高自旋粒子的理论物理学家和试图解决植根于广义相对论的所谓Teukolsky方程的人之间的密切合作。这些不同的研究团体之间最近的合作表明，在这个方向上可能很快会取得进展。

“在我们接下来的工作中，我们还想进一步探索黑洞和它们的量子属性之间的联系，这让人想起基本粒子，”Johansson补充道。