Promieniowanie Black Hole / Hawking: Dlaczego wychwytujesz tylko cząsteczki?

Mogę tu źle podać niektóre szczegóły. Jeśli tak, nie skupiaj się na nich. Skoncentruj się na ogólnym nurcie mojego pytania.

„Rozumiem” (kaszel), że pary cząsteczki / cząsteczki tworzą się spontanicznie w przestrzeni. Rozumiem, że mogą tworzyć się w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury i że jedna cząsteczka może wpaść, gdzie druga cząstka ledwo może uciec. Rozumiem, że antycząstka unicestwi się z cząsteczką. Nie rozumiem, dlaczego tylko anty-cząstki tych wirtualnych par cząstek wpadają do czarnej dziury, podczas gdy inne tylko uciekają. Czy zarówno cząstka, jak i antycząstka nie powinny mieć równej szansy na to, by wpaść w nią, czy po prostu zdoła uciec?

Wydaje się, że powinna istnieć taka sama szansa, że ​​cząstka lub antycząstka zostaną schwytane, podczas gdy druga „wyrzucona”. Wydaje się więc, że czarna dziura powinna być w pewnym stanie ustalonym, jeśli chodzi o zmianę masy w stosunku do wirtualnych cząstek.

Wyjaśnić?

Myślałem, że antycząsteczka anihiluje z „normalną” masą w czarnej dziurze? Nie?

Po pierwsze, zarówno cząstki, jak i antycząstki mają „normalną” masę (jeśli przede wszystkim powinny mieć masę) i „normalną” (dodatnią) energię. Różnica między nimi jest albo kwestią konwencji, albo pytaniem, który typ jest bardziej powszechny we wszechświecie. Co więcej, dla typowo masowanych czarnych dziur większość promieniowania Hawkinga byłaby zbudowana z fotonów, które właściwie mówiąc, nawet nie mają antycząstek, choć można by również powiedzieć, że są one własnymi antycząstkami.

Czy zarówno cząstka, jak i antycząstka nie powinny mieć równej szansy na to, by wpaść w nią, czy po prostu zdoła uciec?

Tak, a nie naładowane. Mniejsza czarna dziura promieniowałaby zarówno neutrina, jak i antyneutrina, zakładając, że wszystkie neutrina są masywne (w przeciwnym razie wszystkie czarne dziury już by to zrobiły), a wystarczająco mała (a przez to wystarczająco gorąca) promieniowałaby zarówno elektrony, jak i pozytony. Z grubsza czarna dziura będzie promieniować nieistotnymi ilościami masywnych cząstek, gdy temperatura czarnej dziury jest rzędu masy cząstek lub większa, w jednostkach naturalnych.

Wydaje się, że powinna istnieć równa szansa, że ​​cząstka lub antycząstka zostaną schwytane, podczas gdy druga „wyrzuci”.

Prawidłowo, z niewielkim wyjątkiem, że jeśli gorąca czarna dziura ma ładunek elektryczny, jest bardziej prawdopodobne, że wypromieniuje cząstki o tym samym znaku ładunku.

Wydaje się więc, że czarna dziura powinna być w pewnym stanie ustalonym, jeśli chodzi o zmianę masy w odniesieniu do wirtualnych cząstek.

Jeśli cząstka lub antycząstka wpadnie do czarnej dziury, jej masa wzrośnie. To nie ma znaczenia Zasadniczo „powodem” promieniowania Hawkinga jest to, że stan próżni w kwantowej teorii pola jest stanem najniższej energii, ale różni obserwatorzy mogą nie zgadzać się co do tego, który stan jest próżnią. Zatem, ponieważ cząstki wahają się nad próżnią, mogą nie zgadzać się co do tego, czy istnieją cząstki.

Nie sądzę, aby istniał dobry sposób na naprawienie historii o „wpadaniu antycząstek”, z wyjątkiem jakiegoś okrężnego odwołania do oszczędzania energii: jeśli uciekająca cząstka jest prawdziwa i ma energię dodatnią, ta, która wpadła, musi mieć energię ujemną i dlatego zmniejsz masę czarnej dziury. Niestety pokazuje to tylko, co musi się stać, aby sytuacja była spójna, a nie faktyczne.

Chociaż z pewną wiedzą na temat ogólnej teorii względności, można to nieco motywować - np. W przypadku czarnej dziury Schwarzschilda, zachowane jest pole energetyczne zapewniane przez pole wektorowe Killinga, które przechodzi od horyzontu czasowego do kosmicznego na horyzoncie - a więc co zewnętrznego obserwator uważa, czas / energia byłaby przestrzeń / pęd wewnątrz czarnej dziury, a pęd jest dozwolone być ujemna.

Po pierwsze, chciałbym wskazać i pochwalić odpowiedź @ user83692435, która była pierwsza i jest poprawna. Rozwijając to:

Obraz tworzonej wirtualnej pary cząstka / antycząstka, a następnie jednej z nich połkniętej przez horyzont zdarzeń pozostawiając drugą jako rzeczywistą, jest analogią, która zapewnia obraz tego, co się dzieje, ale zdecydowanie nie jest poprawna. Popularyzatorzy nadal go używają, ponieważ to, co się naprawdę dzieje, jest niezwykle złożone i trudne do wytłumaczenia słowami. (I nie spróbuję!) Ale tutaj jest link do artykułu technicznego na ten temat .

Być może jednak najbardziej wymownym argumentem przeciwko prostemu wytłumaczeniu jest to, że promieniowanie Hawkinga nie pochodzi z horyzontu zdarzeń, którego wymaga analogia, ale z przestrzeni poza nim!

Drugim argumentem przeciwko analogii Hawkinga jest to, że horyzont zdarzeń jest niezwykle głęboko w potencjalnej studni czarnej dziury. Dla cząstek lub fotonów aby uniknąć BH (który Hawking promieniowanie muszą) muszą być tworzone z wystarczającą dodatkową energię ucieczki BH - i BH można traktować w obiekcie z ucieczki prędkość jest większa niż prędkość światła. Wimpy małe wirtualne cząstki, które straciły partnera do BH, nigdy by się nie udało.

Jeśli chcesz zagłębić się nieco głębiej, polecam blog Sabine Hossenfelder Backreaction, który ma długi post z wieloma linkami do dalszych informacji. Reakcja wsteczna jest jednym z najlepszych blogów popularyzujących fizykę na pograniczu, które mają obecnie miejsce, w znacznej części, ponieważ Hossenfelder jest aktywnym badaczem i dobrym pisarzem.

Nieco źle zapamiętałeś powszechny (choć zły) sposób opisywania promieniowania Hawkinga. Popularyzatorzy fizyki czasami opisują to jako parę cząstek, z których jedna jest materią, a druga materią ujemną. Lub jeden z nich to antymateria, a drugi to antymateria ujemna. Twój proton ucieka, a proton-materia ujemna jest absorbowany. Albo twój antyproton ucieknie i twój negatywny antymateria-antyproton zostanie wchłonięty. Ujemna materia (lub negatywny antymateria) zmniejsza czarną dziurę.

Chociaż jest to powszechny sposób opisywania rzeczy dla osób niebędących fizykami, jest to zły sposób na opisanie tego. Jest to mylące, ponieważ sugeruje dokładnie postawione pytanie: dlaczego materia ujemna nie leci na zewnątrz i nie zmniejsza pierwszej trafionej gwiazdy lub planety? Ponadto materia ujemna nigdy nie została wykryta. Nie ma szczególnego powodu, aby sądzić, że jest to przydatna konstrukcja do zrozumienia czarnych dziur. (Jeśli jednak istniał, możesz go użyć do stabilizacji tuneli czasoprzestrzennych, co może być bardzo przydatne).

Lepiej opisać promieniowanie Hawkinga, tak jak zrobiły to inne odpowiedzi, bez uciekania się do wirtualnych cząstek ujemnych.

To wyjaśnienie promieniowania Hawkinga jako formujących się wirtualnych cząstek i jednej cząstki wpadającej do czarnej dziury jest niepełne. Stephen Hawking początkowo wyobrażał sobie drogę od odległej przeszłości do odległej przyszłości i podróżującą po niej geodezę zerową (ścieżkę światła). Czarna dziura powstaje na ścieżce geodezyjnej tuż przed przejściem przez miejsce, w którym powstaje czarna dziura. To ostatnia geodezja, która to zrobiła.
Próżnia nie jest pusta. Składa się z pewnych wibracji z powodu zasady nieoznaczoności. To pole próżniowe składa się z wielu trybów częstotliwości. Tworzą wirtualną parę cząstek przeciw-cząsteczkowych, które się wzajemnie niszczą. Cząstkę anty można uznać za wibrację w polu kwantowym o częstotliwości ujemnej, tzn. Cofającą się w czasie. Utworzona czarna dziura przesuwa niektóre częstotliwości geodezyjnej, która przechodziła. Geodezja tworzy więc pola na podstawie pozostałych częstotliwości. A ponieważ antycząstka może być uważana za cząsteczkę poruszającą się wstecz w czasie, jej częstotliwość jest zawsze tracona przez czarną dziurę, a pole tworzy wirtualną cząsteczkę z pozostałych trybów częstotliwości.