Apakah ada penjelasan yang lebih baik tentang radiasi Hawking?

11

Saya menulis artikel tentang radiasi Hawking, dan menemukan saya punya masalah. Penjelasan "diberikan" yang saya temukan di Wikipedia dan di tempat lain tidak memuaskan:

"Wawasan fisik ke dalam proses dapat diperoleh dengan membayangkan bahwa radiasi partikel-antipartikel dipancarkan dari luar horizon peristiwa. Radiasi ini tidak datang langsung dari lubang hitam itu sendiri, tetapi lebih merupakan hasil dari partikel virtual yang" didorong "oleh gravitasi lubang hitam menjadi partikel nyata [10] . Ketika pasangan partikel-antipartikel diproduksi oleh energi gravitasi lubang hitam, pelarian salah satu partikel menurunkan massa lubang hitam [11]. Pandangan alternatif dari proses ini adalah bahwa fluktuasi vakum menyebabkan pasangan partikel-antipartikel tampak dekat dengan horizon peristiwa lubang hitam. Salah satu pasangan jatuh ke dalam lubang hitam sementara yang lain lolos. Untuk mempertahankan energi total, partikel yang jatuh ke dalam lubang hitam pasti memiliki energi negatif ... "

Itu bergantung pada partikel virtual dan partikel energi negatif. Namun fluktuasi vakum tidak sama dengan partikel virtual, yang hanya ada dalam matematika model , dan kita tahu partikel energi negatif. Jadi saya mencari penjelasan yang lebih baik. Artikel Wikpedia juga mengatakan ini:

"Dalam model lain, prosesnya adalah efek tunneling kuantum, di mana pasangan partikel-antipartikel akan terbentuk dari ruang hampa, dan satu akan terowongan di luar horizon peristiwa [10] ."

Namun itu menunjukkan produksi pasangan terjadi di dalam horizon peristiwa, yang tampaknya mengabaikan pelebaran waktu gravitasi tak terbatas, dan bahwa salah satunya a) muncul di luar cakrawala peristiwa dan b) keluar sebagai radiasi Hawking ketika produksi pasangan biasanya melibatkan penciptaan sebuah elektron dan positron. Sekali lagi itu tidak memuaskan. Begitu:

Apakah ada penjelasan yang lebih baik tentang radiasi Hawking?

black-hole gravity general-relativity hawking-radiation quantum-mechanics John Duffield
sumber
2
Partikel yang jatuh tidak membutuhkan energi negatif. Yang penting adalah bahwa beberapa foton lolos hingga tak terbatas, yang berarti bahwa sebagian energi yang "dipinjam" dari medan gravitasi hilang (dalam bentuk foton-foton itu). Jadi medan gravitasi melemah, yang mengurangi massa / energi nyata. Tapi "jelas" adalah apa yang kita lihat sebagai pengamat jarak jauh. Apa yang terjadi di dalam horizon peristiwa adalah ... dalam kisaran dugaan hingga nol. Yang mengatakan, saya tidak berpikir ada pendapat mayoritas tentang bagaimana radiasi muncul, atau jika bahkan ada ...
zibadawa timmy
1
Anda mungkin menemukan lebih banyak tentang Fisika SE mengingat sifat esoteris yang cukup dari bahan ini.
StephenG
1
Tercatat Stephen. @zibadawa timmy: tetapi bagaimana Anda "meminjam" energi dari medan gravitasi? Dan jika Anda melakukannya, bagaimana energi kemudian bocor dari cakrawala peristiwa untuk lebih dari yang sama sampai Anda berakhir tanpa lubang hitam sama sekali?
John Duffield
2
John, dari pertanyaan Anda, sepertinya Anda tidak memahami konsep energi potensial atau energi yang tersimpan di ladang (gravitasi, listrik, dll.). Saya akan mulai dengan membaca tentang konsep-konsep itu.
Carl Witthoft
5
1. Semua penjelasan verbal ini hanyalah metafora. Kesepakatan sebenarnya adalah melakukan perhitungan Hawking - itulah penjelasan sebenarnya. 2. Inilah metafora lain: Lubang hitam tidak lain adalah kurvatur ruang-waktu yang luar biasa yang diikat ke dalam dirinya sendiri - dan nama yang kita miliki untuk kurvatur ruang-waktu adalah "gravitasi". Lubang hitam tidak lain adalah gravitasi, cukup kuat untuk bertahan dengan sendirinya. Pasangan p / anti-p muncul dengan cara yang sama seperti medan yang sangat intens dapat menghasilkan partikel: ketika Anda memiliki banyak energi, partikel dapat keluar darinya. Misalnya radiasi elektromagnetik juga bisa melakukannya.
Florin Andrei

Jawaban:

7

Andy Gould mengusulkan derivasi klasik radiasi Hawking dalam makalah yang agak kabur dari tahun 1987 . Argumen penting adalah bahwa lubang hitam harus memiliki entropi yang terbatas, tidak nol (jika tidak Anda bisa melanggar hukum kedua termodinamika dengan lubang hitam). Selain itu, entropi lubang hitam harus bergantung hanya pada daerahnya (jika tidak, Anda dapat mengubah area lubang hitam melalui proses Penrose dan menurunkan entropi dan membuat mesin gerak abadi). Jika lubang hitam memiliki entropi dan massa, maka ia memiliki suhu. Jika memiliki suhu, maka harus memancarkan secara termal (jika tidak, Anda bisa lagi melanggar hukum kedua termodinamika).

Tentu saja, jika Anda melihat suhu radiasi Hawking, ada konstanta Planck di sana, jadi ia harus tahu sesuatu tentang mekanika kuantum, bukan? Tapi ternyata itu sebenarnya termodinamika secara umum yang tahu tentang mekanika kuantum, bukan relativitas umum --- Konstanta Planck hanya diperlukan untuk menjaga agar entropi terbatas (dan karenanya suhu tidak nol). Ini berlaku untuk black hole dan blackbodies.

J. O'Brien Antognini
sumber
1
Itu adalah bacaan yang menarik, tetapi saya mencatat ini di halaman 5: ”Seseorang sekarang dapat mempertimbangkan untuk melakukan percobaan yang pertama kali diusulkan oleh Geroch . Satu secara adiabatik menurunkan kotak pemantul sempurna yang dipenuhi dengan radiasi elektromagnetik pada suhu T >> T ke jari-jari Schwarzschild r, dekat dengan horizon peristiwa. Satu kemudian bertukar radiasi dengan lubang ... "B H[8]BH Tentunya tidak ada pertukaran karena pelebaran waktu gravitasi yang tak terbatas? Eksperimen gedanken Geroch dari kolokium Princeton 1971 tampaknya dirujuk secara luas tetapi tidak diterbitkan. Petunjuk menarik, terima kasih lagi.
John Duffield
2
Anda tidak menurunkan kotak tepat ke cakrawala acara, hanya dekat dengan cakrawala acara. Jadi ada pelebaran waktu, tetapi itu tidak terbatas dan radiasi dapat ditukar.
J. O'Brien Antognini
1
Saya melewatkan sesuatu di sini. Jika Anda menurunkan kotak gedanken ke suatu tempat di dekat horizon peristiwa kemudian bertukar radiasi dengan lubang maka ketika Anda menarik kotak ke atas tidak ada radiasi di dalamnya. Dengan asumsi lubang hitam menelan radiasi (atau setidaknya sebagian), massa lubang hitam meningkat. Saya akan melihat apakah saya dapat menemukan penjelasan lain dari skenario Geroch.
John Duffield
1
Saya menemukan ini , lihat halaman 2, tetapi itu salah. Saat Anda menurunkan kotak dan bekerja, pada horizon acara, kotak memiliki setengah energi yang dimulai. Dan aduh, saya menemukan ini juga: arxiv.org/abs/physics/0501056 .
John Duffield
2
Saya tidak akan mempercayai makalah Arxiv yang Anda tautkan --- berusia sekitar 12 tahun tetapi tidak pernah dipublikasikan dalam jurnal yang diulas bersama dan tidak memiliki kutipan. Terlihat kooky bagi saya. Dan dalam referensi pertama (lebih dapat dipercaya), saya tidak yakin dari mana Anda mendapatkan bahwa kotak memiliki setengah energi yang dimulai.
J. O'Brien Antognini
1

Ada penjelasan yang cukup bagus di halaman web ini . Bagian penting adalah ini:

dalam ruangwaktu melengkung tidak ada sistem koordinasi yang "terbaik" ini, yang inersia. Jadi, bahkan berbagai pilihan koordinat yang sangat masuk akal pun dapat memberikan ketidaksetujuan tentang partikel vs antipartikel, atau apa kekosongannya. Ketidaksepakatan ini tidak berarti bahwa "semuanya adalah relatif", karena ada formula bagus untuk bagaimana menerjemahkan antar deskripsi dalam sistem koordinat yang berbeda. Ini adalah transformasi Bogoliubov.

Secara khusus, dia melanjutkan dengan mengatakan

di satu sisi kita dapat membagi solusi persamaan Maxwell menjadi frekuensi positif dengan cara yang paling jelas bahwa seseorang yang jauh dari lubang hitam dan jauh di masa depan akan melakukannya ...

dan di sisi lain kita dapat memecah solusi persamaan Maxwell menjadi frekuensi positif dengan cara yang paling jelas bahwa seseorang jauh di masa lalu, sebelum keruntuhan menjadi lubang hitam telah terjadi akan melakukannya.

Jadi, apa yang diamati oleh pengamat di masa lalu adalah ruang yang benar-benar kosong tanpa partikel (non virtual) atau antipartikel, pengamat di masa depan mungkin melihat sebagai ruang dengan partikel (dan antipartikel) yang sangat baik di dalamnya. Partikel-partikel itu adalah radiasi Hawking.

Steve Linton
sumber