[论文解读] Thermodynamics and Weak Cosmic Censorship Conjecture in Nonlinear Electrodynamics Black Holes via Charged Particle Absorption

Peng Wang, Houwen Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2019

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 93被引用 18

一句话总结

本文通過帶電粒子吸收研究了在非線性電動力學（NLED）中D維漸近反 de Sitter（AdS）黑洞的熱力學與弱宇宙觀測屏障猜想（WCCC）。利用哈密頓-雅可比方法，推導了正常與擴展相空間中的熱力學第一定律，確認了極端與近極端黑洞下WCCC的有效性，並表明熵會因NLED參數的改變而增加或減少；在擴展相空間中，當參數變化時，接近極端性附近第二定律會被違反。

ABSTRACT

We first obtain the $D$-dimensional asymptotically AdS charged black hole solution in general nonlinear electrodynamics (NLED). We then use the Hamilton-Jacobi method to describe the motion in curved spacetime of a scalar particle and a fermion, which, as we show, satisfy the same Hamilton-Jacobi equation. With absorbing a charged particle, the variation of the generic charged NLED black hole is calculated in the normal and extended phase spaces. In the normal phase space, where the cosmological constant and dimensionful parameters in NLED are fixed, the first and second laws of thermodynamics are satisfied. In the extended phase space, where the cosmological constant and dimensionful parameters in NLED are treated as thermodynamic variables, the first law of thermodynamics is also satisfied. However, the black hole entropy can either increase or decrease depending on the changes in the dimensionful parameters. Furthermore, we find that the weak cosmic censorship conjecture is valid for the extremal and near-extremal black holes in the both phase spaces.

研究动机与目标

• 推導一般非線性電動力學（NLED）中D維漸近AdS帶電黑洞解。
• 研究在帶電粒子吸收下，正常與擴展相空間中熱力學第一與第二定律。
• 測試極端與近極端NLED-AdS黑洞下弱宇宙觀測屏障猜想（WCCC）的有效性。
• 研究NLED具有量綱參數的變化如何影響黑洞熵與熱力學穩定性。
• 與愛因斯坦-馬克斯韋爾情況及Born-Infeld黑洞進行比較，特別是在擴展相空間中。

提出的方法

• 使用具備量綱參數的一般非線性電動力學拉格朗日函數，推導D維NLED-AdS黑洞解。
• 應用哈密頓-雅可比方法描述彎曲時空中標量與費米子粒子的運動，表明它們滿足相同的方程。
• 在測試粒子極限下，計算帶電粒子吸收後質量、電荷、宇宙學常數與NLED參數（a_i）的變化。
• 評估在正常相空間（參數固定）與擴展相空間（參數為熱力學變數）中熱力學第一定律。
• 分析度規函數f(r)在r_min處的最小值，以確定事件視界結構並測試WCCC。
• 利用f(r)在r_min處的微擾展開，評估吸收後最終狀態是否仍為極端或轉為非極端。

实验结果

研究问题

• RQ1 在帶電粒子吸收下，NLED-AdS黑洞在正常與擴展相空間中，熱力學第一定律是否成立？
• RQ2 NLED量綱參數的變化如何影響黑洞熵與熱力學第二定律的有效性？
• RQ3 當極端與近極端NLED-AdS黑洞吸收帶電粒子時，弱宇宙觀測屏障猜想（WCCC）是否仍成立？
• RQ4 在擴展相空間中，極端與近極端NLED黑洞的熱力學第二定律是否可能被違反？
• RQ5 與愛因斯坦-馬克斯韋爾及Born-Infeld情況相比，結果如何，特別是在擴展相空間中？

主要发现

• 在帶電粒子吸收下，一般NLED-AdS黑洞在正常與擴展相空間中均滿足熱力學第一定律。
• 在擴展相空間中，黑洞熵會因NLED量綱參數（a_i）的變化而增加或減少，導致第二定律行為不確定。
• 對於極端黑洞，弱宇宙觀測屏障猜想成立：吸收帶電粒子後黑洞仍保持極端狀態。
• 對於近極端黑洞，吸收後黑洞仍保持非極端狀態，確認在兩種相空間中WCCC均有效。
• 當量綱參數a_i變化時，即使第一定律與WCCC成立，擴展相空間中極端附近第二定律仍會被違反。
• 結果在正常相空間中重現愛因斯坦-馬克斯韋爾情況（L = s），且與先前Born-Infeld黑洞研究一致，但在a_i變化時，擴展相空間中結果與之不同。