SUPERVISOR
Behrouz Mirza,Moslem Zareei
بهروز میرزا (استاد راهنما) مسلم زارعی (استاد مشاور)
STUDENT
Nastaran Khabazipur
نسترن خبازی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Investigating the thermodynamic phase transition in Kerr-Anti de sitter and Reissner-Nordestrom-Anti de sitter in even and higher than 4 dimensions.
Classical black holes do not radiate and therefore they have absolute zero temperature. In 1970, Hawking showed that by Incorporation of quantum mechanics unifies black hole physics with standard thermo dynamics. Stationary black holes have temperature T related to their surface gravity and they behave like thermodynamic objects. We expect to see phase transitions in these systems too. In this thesis we pursue two goals. First, we know that a phase transition in a Kerr – Anti de sitter black hole in 6, 8 and 10 dimensions, in the grand canonical ensemble occurs. In canonical ensemble extensive quantities such as angular momentum and charge are assumed constant and non-extensive quantities such as angular velocity and electric potential are variable, while in the grand canonical ensemble, extensive quantities are variable quantities and non-extensive quantities are fixed. We explore this phase transition by using a method that is based on Ehrenfest equations. In Ehrenfest method, there is not any discontinuity in the entropy, angular momentum and electric charge. While an infinite and smeared discontinuity at a critical point in heat capacity, volume expansion and compressibility can be observed. Since for every constant angular velocity and electric potential at the critical point both Ehrenfest equations are satisfied, we show that this phase transition is second order. Then in another part of this thesis, we investigate the first and second order phase transitions that occur in Reier-Nordestrom-Anti de sitter black hole in 4, 6, 8 and 10 dimensions in the Grand Canonical ensemble. The second-order phase transitions that occur at the minimum temperature are similar to, those for Kerr-Anti de sitter black holes and are described by Ehrenfest method. We use the Bragg-Williams method to study the first order Hawking-Page transition. The radius of the event horizon can be considered as an order parameter. At low temperatures in this black hole, black hole phase is unstable and empty Anti de sitter space, is more stable. So at low temperatures, the Ads phase space is more probable. This system has minima in free energy that occurs in the event horizon radius of zero and shows that the Ads thermal phase space is empty. At temperatures above the transition temperature, free energy has two minima. One of them happens at zero-radius and the other in a positive radius. non-zero radius indicated that the phase contains black hole. With increasing temperature and passing through the critical temperature, the transition occurs from empty phase space to Ads phase space with a black hole. Order parameter has a discontinuous jump at the critical temperature. The order parameter is proportional to the first order derivative of Gi free energy, so this transition is first order. The results for the Kerr Ads black holes in 6, 8 and 10 dimensions is similar to what was previously observed in 4 dimensions and in all these cases a second order transition occurs in black holes and transitions found in Reisner nordestrom Ads black holes in 4, 6, 8 and 10 dimensions are also similar and independent to the dimension. So that a first order transition and a second order transition occurs in all cases. Keywords : Thermodynamics, Black hole, Phase Transition, Klapeyron, Ehrenfest, Landau, Bragg-Williams
سیاهچاله های کلاسیک هیچ گونه تابشی ندارند و در نتیجه دمای آنها صفر است. در 1970 هاوکینگ نشان داد که با اضافه کردن خواص مکانیک کوانتومی به سیاهچاله ها، فیزیک سیاهچاله ها با ترمودینامیک کلاسیک تلفیق می شود. سیاهچاله های پایا دمایی متناسب با گرانش سطحی شان دارند و مانند سیستم های ترمودینامیکی رفتار می کنند. انتظار می رود که گذار فازهایی را نیز در این سیستم ها مشاهده کنیم. در این رساله دو هدف را دنبال می کنیم. ابتدا بررسی گذار فازی که در سیاهچاله کر-پاددوسیته در 6، 8 و 10 بعد، در آنسامبل گرند کانونیک رخ می دهد. در آنسامبل کانونیک کمیت های فزونوری مانند تکانه زاویه ای و بار الکتریکی ثابت فرض می شوند و کمیت های نافزونوری مانند سرعت زاویه ای و پتانسیل الکتریکی متغیر هستند در حالی که در آنسامبل گرند کانونیک، کمیت های فزونور متغیر و کمیت های نافزونور ثابت هستند. این کار را با استفاده از روشی که بر مبنای معادلات اهرنفست است انجام می دهیم. در استفاده از روش اهرنفست، در سیاهچاله کر-پاددوسیته، هیچ گونه ناپیوستگی در آنتروپی، تکانه زاویه ای و بار الکتریکی دیده نمی شود در حالی که ناپیوستگی های نامحدود و پهنی را در یک نقطه بحرانی در ظرفیت گرمایی، انبساط حجمی و تراکم پذیری مشاهده می کنیم. از آنجا که به ازاء سرعت زاویه ای و پتانسیل الکتریکی ثابت هر دو معادله اهرنفست در نقطه بحرانی برقرار هستند، نشان می hy;دهیم که این گذار مر تبه دوم است. سپس در بخش دیگری از این رساله، گذارهای فاز مرتبه اول و دومی که درسیاهچاله ریسنرنوردستروم-پاددوسیته در 4، 6، 8 و 10 بعد در آنسامبل گرند کانونیک رخ می دهند را بررسی می کنیم. برای بررسی گذار فاز مرتبه دومی که در دمای کمینه سیستم رخ می دهد به طور مشابه با آنچه برای سیاهچاله کر-پاددوسیته بیان شد از روش اهرنفست استفاده کرده ایم و نتایج مشابهی را به دست آوردیم. برای بررسی گذار مرتبه اول هاوکینگ-پیج نیز در این سیاهچاله، از روش برگ- ویلیامز استفاده می کنیم. در کاربرد روش برگ-ویلیامز، انرژی آزاد تابعی از پارامتر نظم در نظر گرفته می شود و حالت هائی را که انرژی آزاد در آنها کمینه می شود بررسی می شوند. در سیاهچاله ها پارامتر نظم، شعاع افق رویداد سیاهچاله است. در این سیاهچاله در دماهای پایین، فاز دارای سیاهچاله، ناپایدار است و فضای پاددوسیته خالی، پایدارتر است. در نتیجه در دماهای پایین فاز فضای پاددوسیته محتملتر است. در این حالت سیستم دارای یک کمینه در انرژی آزاد است که در شعاع افق رویدادی برابر با صفر رخ می دهد و نشان دهنده فاز فضای پاددوسیته حرارتی خالی است. در دماهای بالاتر از دمای گذار، انرژی آزاد دارای دو کمینه است. یکی از آنها در شعاعی برابر با صفر و دیگری در یک شعاع مثبت اتفاق می افتدکه شعاع غیر صفر نشان دهنده وجود سیاهچاله است. با افزایش دما و عبور از دمای بحرانی، گذار از فاز فضای پاددوسیته به فاز فضای دارای سیاهچاله رخ می دهد. پارامتر نظم دارای یک پرش ناپیوسته در دمای بحرانی است و به دلیل تناسب آن با مشتق مرتبه اول انرژی آزاد گیبس، این گذار مرتبه اول است. نتایج به دست آمده برای سیاهچاله کر-پاددوسیته در ابعاد 6، 8 و 10 بعد مشابه با چیزی است که قبلا در 4 بعد مشاهده شده بود و در تمام این حالات یک گذار مرتبه دوم در سیاهچاله رخ می دهد و گذارهای یافت شده در سیاهچاله ریسنرنوردستروم-پاددوسیته نیز در تمام ابعاد زوج مشابه و مستقل از بعد به دست آمده اند به طوری که در هر بعد یک گذار مرتبه اول و یک گذار مرتبه دوم رخ می دهد. کلمات کلیدی: ترمودینامیک، سیاهچاله، گذارفاز، کلاپیرون، اهرنفست، لاندائو، برگ-ویلیامز