黑洞外部时空原子的自发激发与兰姆移动

Balck hole spacetime is a typical curved spacetime with unique properties. Recent theoretical studies on it show that it is characterized by a peculiar quantum effect - Hawking radiation, the discovery of which not only solves the contradiction that lasts for a long time in thermodynamics, but also profoundly reveals the internal combination among the gravity theory, thermodynamics and quantum theory. Spontaneous excitation and Lamb shift are two important radiative properties of an atom interacting with quantum fields and they are experimentally observable. In the exterior region of a black hole, the fluctuations of quantum fields is distinctive from that in other spacetime, thus the properties of spontaneous excitation and Lamb shift of an atom outside the black hole. By studing the spontaneous excitation and Lamb shift of an atom in the exterior region of a black hole, we intend to explore the properties of various kinds of black hole spacetime. This work is important for theoretical research on the effect of properties of curved spacetime on the radiative properties of an atom, and is helpful for us to interpret the quantum effect of Hawking radiation and the concepts such as the quantum vacuum, besides, it may provide us with new thougths for inspecting quantum effects of curved spacetime.

黑洞时空是一类典型的弯曲时空，具有自身独特的物理性质和特点。近些年的理论研究表明，黑洞具有奇特的量子效应-霍金辐射，这个重要的发现不仅解决了黑洞热力学中长久以来存在的矛盾，而且深刻地揭示了引力理论、热力学和量子理论之间的内在联系。自发激发和兰姆移动是原子两种重要的辐射性质，它们都是由原子与场相互作用引起的可观测的量子效应。在黑洞外部时空中，量子场的涨落有着不同于其它时空中量子场涨落的性质和特点，因而时空中原子的自发激发和兰姆移动也将呈现出新的特性。本项目拟通过对黑洞外部时空中原子的自发激发和兰姆移动的研究来探究不同类型黑洞时空的性质和特点。这项工作对于我们认识弯曲时空性质对原子辐射性质的影响具有重要的理论意义，有助于我们进一步理解黑洞的霍金辐射和量子真空等概念，并有可能为实验观测和检验弯曲时空的量子效应提供新的思路。

原子的自发激发和兰姆移动是原子与场相互作用时发生的重要量子现象，近些年人们研究发现闵氏时空中原子的非惯性运动和时空中的热辐射会引起与场耦合的原子的平均能量和兰姆移动有修正。不同时空各有其自身的特点，时空中传播的量子场也有着各自独特的物理性质，因此，与各种时空中不同性质量子场耦合的原子的辐射性质也有所区别。我们在黑洞等弯曲时空背景中与各种性质量子场耦合的原子的辐射性质方面开展了一系列研究工作，探讨了黑洞的霍金辐射、时空曲率、时空非平庸拓扑结构、原子的非惯性运动、时空中的热辐射以及原子的极化等因素对原子能级移动和自发激发等辐射性质的影响，揭示了黑洞等弯曲时空性质与原子的能级移动、自发激发等辐射性质内在的、本质的联系。.我们发现，对于史瓦希时空中对称、反对称纠缠态关联的两原子，原子间的相互作用势与时空中量子场的涨落没有关系，它完全由原子的辐射反作用引起，因此，与原子其它辐射性质（如兰姆移动）显著不同，对称或反对称纠缠态关联的两原子间的相互作用势在Boulware真空，Unruh真空和Hartle-Hawking真空中具有完全相同的特点和规律，黑洞的霍金辐射对该相互作用势没有影响。而史瓦希时空曲率对该相互作用势有重要影响，特别是在视界附近，该相互作用势明显比闵氏时空中的结果小。我们关于一条无限长直宇宙弦附近原子的平均能量变化率的研究工作揭示了时空的非平庸拓扑结构、原子的匀加速运动、时空中的热辐射和原子的极化与原子的平均能量变化率的密切联系。我们关于平直时空中与电磁场耦合的匀加速原子的自发激发现象的研究表明对于原子与电磁场耦合的情况，Fulling-Davies-Unruh效应是完全成立的。此外，我们还发现非平衡热效应对原子的能级移动有重要影响，原则上我们可以在非平衡环境中通过对介质材料的选择在室温范围内实现介质板附近原子受到的Casimir-Polder力从吸引到排斥的转变。