Jak dokładnie promieniowanie Hawkinga zmniejsza masę czarnych dziur?

Z tego, co rozumiem do tej pory, gdy jedna z wirtualnych cząstek przekracza horyzont zdarzeń, a druga nie, nie mogą się anihilować. Ten ostatni wędruje do wszechświata (przy okazji, czy w tym momencie jest jeszcze wirtualny, a co w tym momencie znaczy „wirtualny”?), Podczas gdy drugi zostaje pochłonięty przez czarną dziurę. Nie rozumiem, w jaki sposób to zdarzenie przyczynia się do parowania czarnej dziury (ponieważ cząstki nie pochodzą z czarnej dziury). Czy zużyta cząstka nie powinna sumować się do masy czarnej dziury?

Najbliższe moje pytanie brzmi: czy promieniowanie Hawkinga faktycznie wprowadza masę do wszechświata? , ale nie uważam odpowiedzi za zadowalające.

Tj. „ Uciekająca wirtualna cząstka jest„ wzmacniana ”przez pole grawitacyjne czarnej dziury, aby stać się prawdziwą cząsteczką ”, raczej dodaje do pytania, a następnie udziela odpowiedzi.

EDYCJA: Jestem poniżony wiedzą przedstawioną w odpowiedziach i czuję się niekompetentny, aby oznaczyć dowolną jako najbardziej odpowiednią. Mam nadzieję, że to w porządku.

Dam ci intuicyjną odpowiedź. Należy pamiętać, że nie jest to „rzeczywista” odpowiedź, ponieważ promieniowanie Hawkinga jest nieco bardziej złożone niż typowe wyjaśnienie pop-sci z wirtualnymi cząsteczkami. Niemniej jednak możliwe jest intuicyjne uzasadnienie.

Nie rozumiem, w jaki sposób to zdarzenie przyczynia się do parowania czarnej dziury (ponieważ cząstki nie pochodzą z czarnej dziury).

Brakuje tutaj kluczowego punktu.

Kiedy para została wygenerowana, były to wirtualne cząstki. Po tym, jak jedna strona pary została zaabsorbowana przez czarną dziurę, a druga strona została zwolniona, uwolniona część jest prawdziwą cząsteczką. Ogromna różnica - wirtualna vs rzeczywista.

Wirtualne cząsteczki tak naprawdę nie istnieją w taki sam sposób, jak ty i ja. Wydają się istnieć przez bardzo krótki czas; im są bardziej energiczne, tym krótszy jest okres ich wirtualnej „egzystencji”, zgodnie z równaniem Heisenberga. Pod wieloma względami są one tylko matematyczną sztuczką.

Pomyśl o próżni, w której nie ma żadnych prawdziwych cząstek. Wcześniej to tylko próżnia. W tej chwili wirtualna para migocze krótko, a potem zniknęła. W przyszłości znów będzie próżnia.

Jaka była wcześniej energia? Zero. Jaka jest energia w przyszłości? Zero. Jaka jest energia podczas migotania? Zasadniczo wynosi zero, w granicach dozwolonych przez równania Heisenberga. Podsumowując, wirtualne cząstki przychodzą i odchodzą i nie przyczyniają się do bilansu energetycznego pustej części przestrzeni.

(Ignoruję tutaj koncepcję energii próżni, ze względu na intuicyjne wyjaśnienie).

Powiedzmy jednak, że jedna z wirtualnych cząstek zostaje uwięziona przez czarną dziurę, więc nie może anihilować ze swoim odpowiednikiem. Druga cząstka odlatuje w przeciwnym kierunku i ucieka z czarnej dziury. Co gorsza, teraz jest to prawdziwa cząstka - przekroczyliśmy czas dozwolony przez równania Heisenberga, więc ten, który ucieka, nie jest już wirtualny.

Jak ta cząsteczka stała się rzeczywista?

Jest to duży problem, ponieważ wirtualne cząstki nie wymagają krótkotrwałego budżetu energetycznego, podczas gdy prawdziwe cząstki przenoszą energię na zawsze. Coś powstrzymało wirtualną parę przed anihilacją i podniosło jeden ze składników do statusu prawdziwej cząstki. Para wirtualna ma zerową energię. Prawdziwa cząstka, która ucieka, ma niezerową energię. Ta energia musi skądś pochodzić.

Pochodzi z czarnej dziury. Czarna dziura rezygnuje z części swojej masy / energii (to samo), aby zwiększyć jedną cząsteczkę z wirtualnej na rzeczywistą. Druga cząstka zostaje schwytana - ale i tak jest wirtualna, to tak naprawdę nie ma znaczenia.

To intuicyjne wyjaśnienie nie mówi o tym, jak faktycznie doszło do wzmocnienia. Nie wiem, magia. W jakiś sposób jedna z wirtualnych cząstek dostaje kawał energii z czarnej dziury i staje się rzeczywista.

Znowu nie jest to faktyczny proces. Rzeczywisty proces jest bardziej złożony . To tylko pop-sci bajka.

EDYCJA: Aby trafić bliżej domu, promieniowanie Hawkinga jest bardziej zbliżone do efektu Unruh . Powiedz obserwatorowi inercyjnemu, że widzi tu puste miejsce w tym kawałku objętości. Przyspieszający obserwator nie zobaczyłby pustej przestrzeni w tej samej objętości, ale zamiast tego zobaczyłby promieniowanie ciała czarnego. To jest efekt Unruh.

Cóż, grawitacja i przyspieszenie są tym samym w ogólnej teorii względności. Tak więc silna grawitacja w pobliżu czarnej dziury jest równoważna silnemu przyspieszeniu. Musi się tam wydarzyć coś podobnego do efektu Unruh. To promieniowanie Hawkinga.

http://backreaction.blogspot.com/2015/12/hawking-radiation-is-not-produced-at.html

EDYCJA 2: Inne odpowiedzi obecnie na tej stronie dostarczają użytecznych alternatywnych punktów, więc też je sprawdź.

Te uwagi do wykładu w pewnym stopniu odnoszą się do problemów, szczególnie na slajdach 33–35.

Ponieważ w mocno wypaczonej czasoprzestrzeni w pobliżu horyzontu wirtualne cząstki powstałe z wahań próżni okazują się mieć ujemną gęstość energii.

Gęstość energii = energia na jednostkę objętości.

Te cząsteczki rzeczywiście mają masę dodatnią - spójrz na tę, która uciekła! - ale ich masa rozkłada się bardzo dziwnie w czasoprzestrzeni. (Mówiąc kwantowo-mechanicznie, cząstki mają niezerową objętość; jest to aspekt dualizmu cząstka-fala).

Materia o ujemnej gęstości energii jest ogólnie nazywana materią egzotyczną

i nieco później:

Kwantowe mechaniczne wahania próżni w płaskiej czasoprzestrzeni - z dala od silnego pola grawitacyjnego - zawsze mają zerową gęstość energii netto; nigdy nie mogą być egzotyczni.

Jednak w wypaczonej czasoprzestrzeni fluktuacje próżniowe są na ogół egzotyczne: ich gęstość energii netto jest ujemna, według odległego obserwatora mierzącego gęstość energii poprzez obserwację ugięcia światła przez zespół fluktuacji. Im silniejsza krzywizna, tym bardziej ujemna jest gęstość energii.

To najlepsze wytłumaczenie, jakie do tej pory widziałem.

Zasada Heisenberga pozwala ci tymczasowo naruszać prawa zachowania energii (np. Tworzyć pary cząstek z niczego), o ile spłacisz wszystko na czas. Im większa para cząstka-antycząstka, tym szybciej trzeba ją spłacić. Przekształcenie wirtualnej pary w prawdziwą parę może być postrzegane jako generowanie odrobiny „egzotycznej materii” o ujemnej energii (cokolwiek to jest), aby reprezentować niespłacony dług. Jego energia jest równa wielkości parze z przeciwnym znakiem. To następnie wpada do czarnej dziury wraz z jedną z cząstek, zmniejszając ogólnie masę czarnej dziury.

Horyzont czarnej dziury przeszkadza w rekombinacji niektórych wirtualnych par, więc te konwersje wirtualne-> rzeczywiste będą miały miejsce.

Znalazłem ten wykład z tym samym pomysłem (bardziej szczegółowy i mniej wymyślony): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf

Nie wiem, czy eksperci zgodzą się z tym opisem, ale oto, jak go rozumiem:

Zarówno przestrzeń, jak i horyzont zdarzeń podlegają stałej fluktuacji kwantowej. Zasadniczo horyzont zdarzeń ma niewielkie zmarszczki. W miejscach, w których horyzont zdarzeń faluje (powyżej średniego promienia czarnej dziury), ma ponadprzeciętną ilość lokalnej energii. Intensywna grawitacja gwałtownie obniża ten lokalny guz z powrotem, opadający guz wysyła lokalną koncentrację energii z powrotem na resztę horyzontu zdarzenia.

Rozważmy teraz możliwe wirtualne pary cząstek w pobliżu dziury. Jeśli stacjonarna wirtualna para cząstek pojawi się tuż nad horyzontem zdarzeń, albo się połączy, a zniknie lub cała rzecz zostanie wciągnięta do dziury i zniknie w zera. Potrzebujemy wirtualnej pary cząstek, która ma pozorny ruch z dala od czarnej dziury, z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Jeśli ta wirtualna para cząstek idzie wystarczająco szybko, aby całkowicie uciec, rekombinują i znikają. Zero efektu netto. Potrzebujemy wirtualnej pary cząstek, która odsuwa się od czarnej dziury z prędkością zbliżoną do prędkości światła, i potrzebujemy zmarszczki na horyzoncie, która chwyta tylko jedną wirtualną cząsteczkę. Uważam, że tętnienie musi mieć ekstremalne przyspieszenie w dół, aby mogło oderwać się od drugiej wirtualnej cząstki, aby uniknąć złapania obu. A oto kluczowa część: Dług energetyczny między parą cząstek intensywnie przyciąga je do siebie. Uwięziona cząstka jest ciągnięta w górę, skutecznie ciągnąc w górę na horyzoncie, który ją uwięził. Spowalnia to opadanie zmarszczek horyzontalnych, zmniejszając energię, którą opadające tętnienie wraca do reszty czarnej dziury.

Energia potrzebna do rozdzielenia dwóch wirtualnych cząstek równa się połączonej energii dwóch nie-wirtualnych cząstek. Tak więc opadająca zmarszczka traci energię równą dwóm cząsteczkom, a dziura zjada jedną cząsteczkę. Wszystko równoważy się z jedną uciekającą cząsteczką.

Wierzę, że działa tak samo, niezależnie od tego, czy wirtualne cząstki są fotonami czy parą materii i antymaterii.

Oto analogia do mechaniki kwantowej. Cząstka w QM może tunelować przez niemożliwą barierę, w ten sposób elementy cięższe od ołowiu mogą „tunelować” swoje neutrony poza jądro uciekając z wiązań Siły Silnej.

Mała Czarna Dziura jest jak bariera kwantowa, przez którą cząstka może być tunelowana, aby uciec. Im mniejsza bariera (Event Horizon), tym większe prawdopodobieństwo, że będzie w stanie wydostać się z tunelu. Tak więc mikro czarna dziura o masie 228 ton i Horyzoncie zdarzeń 3,4 x 10 ^ -7 femtometrów (dosłownie mniej niż 1 milion wielkości protonu) nie utrzyma swoich cząstek przez bardzo długi czas. W rzeczywistości eksploduje w serii promieniowania Hawkinga po dokładnie 1 sekundzie .

Większa czarna dziura Ziemi o promieniu całego centymetra będzie trwać znacznie dłużej: 8 x 10 ^ 50 lat, ponieważ o wiele mniej prawdopodobne jest, że cząsteczka przejdzie przez cały centymetr, aby uzyskać wolność.

Źródło: Tunelowanie kwantowe z trójwymiarowych czarnych dziur: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Źródło: Hawking Radiation modelowany jako efekt kwantowy: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817