微弱信号检测及其在引力量子效应验证中的应用

发布时间：2017-10-16 07:34

  本文关键词：微弱信号检测及其在引力量子效应验证中的应用

  更多相关文章： 微弱信号检测 引力量子效应 Hawking辐射 黑洞熵 模拟引力 声学黑洞 复合左/右手传输线

【摘要】：引力量子效应的验证一直是物理学界和信号信息处理学界极为关注的研究课题。一方面,引力量子化迄今仍然是物理学中一个悬而未决的重大研究课题,它的最终解决必将是物理学中里程碑式的成就。因此,寻找有效的手段来实现各种量子化方案中的引力量子效应验证,就是一个至关重要的问题。另一方面,实验验证引力量子效应,本质上只能通过某些非常微弱的光电信号反映出来,所以,在量子水平上实现微弱光电信号的检测就成为引力量子效应验证的必由之路。近年来,由于低温和微尺度实验技术的发展,原先被认为令人难以理解的一些量子相干现象已经在实验上能够观测和操纵,进而引发了学术界对量子调控领域研究的热潮。本论文的重要研究内容：黑洞的Hawking辐射,一直是人们非常关注的热点。尽管历经几十年的发展,人们不再怀疑该理论的正确性,但是该理论至今也未能从实验上得到很好的验证。主要面临以下几个困难：(1)由于黑洞不发光,目前还未能通过天文观测手段,在宇宙空间中找到任何一个黑洞。即使将来能够观测到黑洞,由于黑洞与地球距离往往达到很多光年之遥,几乎不可能直接探测Hawking辐射；(2)由于宇宙空间中存在2.725K左右的微波背景辐射,该辐射温度往往比黑洞Hawking辐射高,因此即使我们探测到了黑洞,要探测其辐射温度也是相当困难的。近年来国内外一些学者提出通过自行营造很低的环境温度,可以在实验室模拟与黑洞类似的系统,藉此来验证黑洞存在Hawking辐射。这些模拟系统为实验验证黑洞Hawking辐射提供了一种新的途径,使得对黑洞Hawking辐射的研究再次成为理论物理领域的重点与热点。然而,目前所报道的这些方案更倾向于一些理想化的实验构想模型,要从实际的实验系统中探测Hawking辐射效应还存在诸多困难,其中最主要的困难在于：需要探测的Hawking辐射温度极低,这对实验精度要求非常高；此外如何判断在这些模拟系统中黑洞视界的形成条件也是此类模拟实验中需要解决的重要技术难题。尽管从理论上,能够从这些模拟系统中令人信服地推导出建立黑洞视界的条件,但目前看来,如何将该条件转化成在一种可视化的物理行为,仍然存在很大困难。所以我们希望找到一种在目前技术水平上更为容易调控、探测和更可靠的实验方案。本文的工作可分为两部分：第一部分为关于黑洞Hawking辐射以及熵等相关量子热效应的理论研究：首先我们采用一种改进的乌龟坐标变换关系分别研究了非稳态Kerr黑洞中的标量粒子和Dirac粒子的Hawking辐射,以及加速Kinnersley黑洞中Weyl中微子的Hawking辐射。与以往采用的乌龟坐标变换得到结果进行比较,我们发现采用不同乌龟坐标变换计算所得到的辐射温度在数值上存在明显偏差,在特定参数条件下,这一偏差率甚至能达到2个数量级。由于目前还没有实验能够直接测量Hawking辐射温度,暂时还很难有令人信服的判据来判断,究竟哪一种乌龟坐标变换所导致的结果才是符合物理实际的,进一步说明了实验验证Hawking辐射等其他引力量子效应的重要性和必要性。其次,我们尝试了采用非平衡Landauer传输模型来描述Kaluza-Klein黑洞的Hawking辐射。发现采用该模型描述Kaluza-Klein黑洞的Hawking辐射时,通道中相应的能流与采用规范和引力反常方法得到Hawking辐射结果是协调自洽的。这为我们后续工作中利用复合左/右手传输线模拟黑洞的Hawking辐射奠定了理论基础。最后,我们对Majhi和Vagenas提出的利用绝热不变量计算黑洞熵的方法进行讨论,并采用修正后的绝热不变量方法,研究Kerr-Sen黑洞的熵谱及面积谱性质。我们得到的结果与目前被广泛认可的结论一致,即熵谱是量子化且等间隔的；但目前仍然缺乏一个有说服力的判据,来判断面积谱是否等间距。本文的第二部分主要是关于引力量子效应的实验验证,主要内容有：首先从声学黑洞模型出发,我们简要回顾了模拟引力的发展；其次介绍了模拟黑洞Hawking辐射的几个代表性实验,并讨论了这些实验所面临的实际困难。最后基于复合左／右手传输线的性质,我们提出一种在复合左／右手传输线中模拟黑洞Hawking辐射的方法,在传输线中建立了Painleve-Gullstrand形式的度规,讨论了从实验上判断传输线中视界形成条件的可能性,并对实验存在的误差以及相应的改进途径进行了分析。我们通过分析复合左／右手传输线的相位变化关系发现,在跃迁频率处传输线的相变为零,而且在该瞬间,相速度为无穷大(相速度会从负值到正值突变),该特性可以作为形成黑洞视界的有效判据；最后我们通过分析传输线有效Hamiltonian的方法,对传输线进行量子化处理；并讨论了调控有效探测扰动光子流产生方向的途径。本方案将黑洞视界与复合左／右手传输线的跃迁频率建立了有效联系,通过观测跃迁频率处传输线的相变特性来判断黑洞视界的建立条件。与以往类似的Hawking辐射模拟实验相比,本方案将更有可能实现Hawking辐射模拟,本实验的抗噪声干扰能力更强,这对黑洞Hawking辐射的验证及探测具有重要参考价值。本文的主要研究内容属于微弱信号检测和量子物理实验研究的前沿课题。我们研究的体系属于介观系统,现在这方面的研究已成为量子物理学研究中一个令人瞩目的领域,这也是量子物理领域中一个非常重要的研究课题。通过本课题的研究,我们揭示了局部真空量子涨落所导致的宏观量子现象的物理图像,相关研究成果将为微弱信号检测以及在实验上实现量子调控与量子测量提供重要参考。
【关键词】：微弱信号检测 引力量子效应 Hawking辐射 黑洞熵 模拟引力 声学黑洞 复合左/右手传输线
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O413
【目录】：

• 摘要6-8
• 英文摘要8-13
• 第1章 绪论13-24
• 1.1 微弱信号检测13-16
• 1.2 黑洞量子热效应16-18
• 1.3 高频引力波18-21
• 1.4 论文内容与结构21-24
• 第2章 非稳态黑洞的量子热效应24-43
• 2.1 非稳态Kerr黑洞的Hawking辐射25-34
• 2.1.1 标量粒子Hawking辐射26-29
• 2.1.2 Dirac粒子 Hawking辐射29-32
• 2.1.3 数值模拟及讨论32-34
• 2.2 Kinnersley黑洞中Weyl中微子的Hawking辐射34-43
• 2.2.1 变加速直线运动黑洞34-38
• 2.2.2 任意加速运动黑洞38-40
• 2.2.3 数值模拟及讨论40-43
• 第3章 黑洞Hawking辐射的Landauer传输模型描述43-54
• 3.1 Landauer传输模型43-46
• 3.2 二维量子通道与Hawking辐射46-49
• 3.3 Kaluza-Klein黑洞Hawking辐射49-54
• 第4章 绝热不变量与黑洞熵54-61
• 4.1 绝热不变量54-57
• 4.2 Kerr-Sen黑洞熵谱57-60
• 4.3 小结与讨论60-61
• 第5章 Hawking辐射的实验室模拟61-72
• 5.1 声学黑洞61-64
• 5.2 流体黑洞64-68
• 5.3 超材料全方向吸收器68-72
• 第6章 利用传输线模拟黑洞72-86
• 6.1 利用电磁波导传输线模拟Hawking辐射72-78
• 6.1.1 电磁波导中视界方程的建立72-74
• 6.1.2 正则量子化与Hawking辐射74-78
• 6.2 利用DC-SQUID传输线模拟Hawking辐射78-86
• 6.2.1 SQUID传输线中视界方程的建立78-82
• 6.2.2 参数分析与实验实现82-86
• 第7章 利用复合左/右手传输线模拟Hawking辐射86-103
• 7.1 左手材料研究进展86-90
• 7.2 复合左/右手传输线90-93
• 7.3 传输线中的视界与Hawking辐射93-96
• 7.4 传输线量子涨落96-103
• 总结与展望103-105
• 致谢105-106
• 参考文献106-116
• 附录116-118
• 攻读博士期间发表的论文11

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1041393