Black Hole / Hawking Radiation: Mengapa hanya menangkap anti-partikel?

Saya mungkin memiliki beberapa kesalahan spesifik di sini. Jika demikian, jangan fokus pada itu. Fokus saja pada dorongan umum pertanyaan saya.

Saya "mengerti" (batuk) bahwa pasangan partikel / anti-partikel terbentuk secara spontan di ruang angkasa. Saya mengerti bahwa mereka dapat terbentuk di dekat horizon peristiwa lubang hitam, dan satu partikel dapat jatuh, sedangkan partikel lainnya hampir tidak dapat melarikan diri. Saya mengerti bahwa anti-partikel akan dimusnahkan dengan sebuah partikel. Yang tidak saya mengerti adalah mengapa hanya anti-partikel dari pasangan partikel virtual ini yang jatuh ke dalam lubang hitam, sementara yang lain hanya berhasil melarikan diri. Bukankah kedua partikel dan anti-partikel memiliki kesempatan yang sama untuk menjadi satu-satunya yang jatuh, atau hanya berhasil melarikan diri?

Tampaknya harus ada peluang yang sama dari partikel, atau anti-partikel, yang akan ditangkap sementara yang lain "dikeluarkan." Jadi tampaknya bahwa lubang hitam harus agak mapan sejauh perubahan massa sehubungan dengan partikel virtual.

Menjelaskan?

Saya pikir anti-partikel itu dimusnahkan dengan massa "normal" di dalam lubang hitam? Tidak?

Pertama, baik partikel dan anti-partikel memiliki massa "normal" (seandainya mereka memiliki massa) dan energi "normal" (positif). Perbedaan antara keduanya adalah masalah konvensi atau pertanyaan jenis apa yang lebih umum di alam semesta. Lebih jauh, untuk lubang-lubang hitam yang memiliki massa khas, sebagian besar radiasi Hawking akan dibuat dari foton, yang berbicara dengan benar bahkan tidak memiliki anti-partikel, meskipun orang juga bisa mengatakan bahwa mereka adalah anti-partikel mereka sendiri.

Bukankah kedua partikel dan anti-partikel memiliki kesempatan yang sama untuk menjadi satu-satunya yang jatuh, atau hanya berhasil melarikan diri?

Ya, dan yang tidak diisi lakukan. Lubang hitam yang lebih kecil akan memancarkan baik neutrino dan anti-neutrino, dengan asumsi semua neutrino besar (jika tidak, semua lubang hitam sudah melakukannya), dan lubang yang cukup kecil (dan dengan demikian cukup panas) akan memancarkan elektron dan positron. Secara sangat kasar, lubang hitam akan memancarkan jumlah partikel masif yang tidak dapat diabaikan ketika suhu lubang hitam berada di urutan massa partikel atau lebih besar, dalam satuan alami.

Tampaknya harus ada peluang yang sama dari partikel, atau anti-partikel, yang akan ditangkap sementara yang lain "dikeluarkan."

Benar, dengan pengecualian kecil bahwa jika lubang hitam panas memiliki muatan listrik, ia lebih cenderung memancarkan partikel dengan tanda muatan yang sama.

Jadi tampaknya bahwa lubang hitam harus agak mapan sejauh perubahan massa sehubungan dengan partikel virtual.

Jika salah satu partikel atau anti-partikel jatuh ke dalam lubang hitam, massanya akan naik. Itu tidak masalah. Pada dasarnya, "alasan" untuk radiasi Hawking adalah bahwa keadaan vakum dalam teori medan kuantum adalah keadaan energi terendah, tetapi pengamat yang berbeda dapat tidak setuju tentang keadaan mana yang merupakan kekosongan. Jadi, karena partikel berfluktuasi di atas ruang hampa, mereka dapat tidak setuju tentang ada atau tidaknya partikel.

Saya tidak berpikir ada cara yang baik untuk memperbaiki cerita "antipartikel jatuh" kecuali beberapa putaran bundaran untuk konservasi energi: jika partikel yang melarikan diri adalah nyata dan memiliki energi positif, yang jatuh harus memiliki energi negatif, dan akan karena itu kurangi massa lubang hitam. Sayangnya, itu hanya menunjukkan apa yang harus terjadi agar situasi konsisten, bukan bahwa itu benar-benar terjadi.

Meskipun dengan pengetahuan relativitas umum, seseorang dapat memotivasi ini sedikit lebih jauh - misalnya, untuk lubang hitam Schwarzschild, ada konservasi energi yang diberikan oleh bidang vektor Pembunuhan, yang bergerak dari suka-waktu menjadi mirip-pesawat ruang angkasa di cakrawala - jadi apa yang eksternal pengamat menganggap waktu / energi akan ruang / momentum dalam lubang hitam, dan momentum yang boleh negatif.

Pertama, saya ingin menunjukkan dan memuji balasan @ user83692435 yang lebih dulu dan benar. Memperluasnya:

Gambar dari pasangan partikel / anti-partikel virtual yang dibuat dan kemudian salah satu dari pasangan yang ditelan oleh horizon peristiwa meninggalkan yang lain sebagai nyata adalah analogi yang memberikan gambaran tentang apa yang terjadi, tetapi jelas tidak benar. Popularizer terus menggunakannya karena apa yang sebenarnya terjadi sangat kompleks dan tidak mudah dijelaskan dengan kata-kata. (Dan saya tidak akan mencoba!) Tapi di sini ada tautan ke makalah teknis tentang masalah ini .

Tapi mungkin poin yang paling menentang penjelasan sederhana adalah bahwa radiasi Hawking tidak datang dari horizon peristiwa yang diperlukan analogi, tetapi dari ruang di luarnya!

Poin kedua terhadap analogi Hawking adalah bahwa horizon peristiwa sangat dalam di sumur potensial lubang hitam. Agar suatu partikel atau foton dapat keluar dari BH (yang harus ditelusuri oleh radiasi Hawking), ia harus dibuat dengan energi tambahan yang cukup untuk keluar dari BH - dan BH dapat dianggap sebagai objek dengan kecepatan lepas yang lebih besar daripada kecepatan cahaya. Partikel virtual kecil yang lemah yang kehilangan pasangannya karena BH tidak akan pernah berhasil.

Jika Anda ingin menggali sedikit lebih dalam, saya sarankan Backreaction blog Sabine Hossenfelder yang memiliki posting panjang dengan banyak tautan ke informasi lebih lanjut. Backreaction adalah salah satu yang terbaik dari fisika perbatasan yang mempopulerkan blog akhir-akhir ini, sebagian besar karena Hossenfelder adalah peneliti aktif dan penulis yang baik.

Anda telah sedikit salah mengingat cara yang umum (meskipun buruk) untuk menggambarkan radiasi Hawking. Fisika yang mempopulerkan terkadang menggambarkannya sebagai sepasang partikel yang diciptakan, salah satunya adalah materi dan yang lainnya adalah materi negatif. Atau salah satunya adalah antimateri dan yang lainnya antimateri negatif. Jadi proton Anda lolos dan proton materi negatif Anda terserap. Atau antiproton Anda lolos dan antimateri negatif-antiproton Anda terserap. Materi negatif (atau antimateri negatif) menyusut lubang hitam.

Meskipun ini adalah cara yang umum untuk menggambarkan hal-hal untuk non-fisikawan, ini adalah cara yang buruk untuk menggambarkannya. Ini membingungkan karena menunjukkan pertanyaan yang tepat yang Anda ajukan: mengapa materi negatif tidak terbang ke luar, dan menyusutkan bintang pertama atau planet yang ditabraknya? Juga, materi negatif tidak pernah terdeteksi. Tidak ada alasan khusus untuk menganggapnya sebagai konstruksi yang berguna untuk memahami black hole. (Meskipun jika memang ada, Anda mungkin dapat menggunakannya untuk menstabilkan lubang cacing, yang bisa sangat berguna).

Lebih baik menggambarkan radiasi Hawking seperti jawaban lain yang dilakukan di sini, tanpa menggunakan partikel negatif virtual.

Penjelasan tentang radiasi Hawking ini sebagai pembentukan partikel virtual dan satu partikel jatuh ke dalam black hole adalah tidak lengkap. Stephen Hawking awalnya membayangkan jalan dari masa lalu yang jauh ke masa depan yang jauh dan dan null geodesic (jalur cahaya) melewatinya. Sebuah lubang hitam terbentuk di jalur geodesik sebelum ia melewati tempat di mana lubang hitam terbentuk. Ini adalah geodesik terakhir yang melakukannya.
Vakum tidak kosong. Ini terdiri dari beberapa getaran karena prinsip ketidakpastian. Bidang vakum ini terdiri dari banyak mode frekuensi. Mereka terus menciptakan pasangan partikel anti-partikel virtual yang saling memusnahkan. Anti-partikel dapat dianggap sebagai getaran di medan kuantum yang memiliki frekuensi negatif, yaitu, berjalan mundur ke masa. Lubang hitam terbentuk menyenggol beberapa frekuensi geodesik yang berlalu. Jadi geodesik membuat bidangnya dari frekuensi yang tersisa. Dan sebagai anti-partikel dapat dianggap sebagai partikel dengan frekuensi yang bergerak mundur dalam waktu frekuensinya selalu hilang ke lubang hitam dan bidang menciptakan partikel virtual dari mode frekuensi yang tersisa.