Bagaimana tepatnya radiasi Hawking mengurangi massa lubang hitam?

Dari apa yang saya mengerti sejauh ini, ketika salah satu partikel virtual melintasi horizon peristiwa dan yang lainnya tidak, mereka tidak dapat saling memusnahkan. Yang terakhir mengembara ke alam semesta (btw, apakah masih virtual pada titik ini, dan apa yang 'virtual' artinya pada titik ini, jika demikian?), Sementara yang lain dikonsumsi oleh lubang hitam. Saya tidak melihat bagaimana peristiwa ini berkontribusi pada penguapan lubang hitam (karena partikel tidak berasal dari lubang hitam). Bukankah seharusnya partikel yang dikonsumsi benar-benar menambah massa black hole?

Pertanyaan terdekat saya adalah apakah radiasi Hawking sebenarnya membawa massa ke alam semesta? , tapi saya tidak menemukan jawaban yang memuaskan.

Yaitu " partikel virtual yang lolos adalah 'didorong' oleh medan gravitasi lubang hitam menjadi partikel nyata ", alih-alih menambah pertanyaan lalu menjawabnya.

EDIT: Saya merasa rendah hati dengan pengetahuan yang disajikan dalam jawaban dan merasa tidak kompeten untuk menandai apa pun sebagai yang paling cocok. Saya harap ini baik-baik saja.

Saya akan memberi Anda jawaban intuitif. Perlu diingat, ini bukan jawaban "aktual", karena radiasi Hawking sedikit lebih kompleks dari penjelasan pop-sci khas dengan partikel virtual. Namun beberapa pembenaran intuitif mungkin terjadi.

Saya tidak melihat bagaimana peristiwa ini berkontribusi pada penguapan lubang hitam (, karena partikel tidak berasal dari lubang hitam).

Anda kehilangan poin kunci di sini.

Ketika pasangan dihasilkan, itu adalah partikel virtual. Setelah satu sisi pasangan diserap oleh lubang hitam, dan sisi lainnya dilepaskan, bagian yang dilepaskan adalah partikel nyata. Perbedaan besar di sana - virtual vs nyata.

Partikel virtual tidak benar-benar ada dengan cara yang sama seperti Anda dan saya ada. Mereka tampaknya ada untuk waktu yang sangat singkat; semakin energik mereka, semakin pendek interval "keberadaan" virtual mereka, sesuai dengan persamaan Heisenberg. Dalam banyak hal mereka hanyalah trik matematika.

Pikirkan kekosongan, di mana tidak ada partikel nyata. Sebelumnya, itu hanya vakum. Saat ini, sepasang virtual berkedip sebentar, lalu hilang. Di masa depan, itu vakum lagi.

Apa energi sebelumnya? Nol. Apa energi di masa depan? Nol. Apa energi selama flicker? Yah, pada dasarnya nol, dalam batas yang diizinkan oleh persamaan Heisenberg. Intinya adalah, partikel virtual datang dan pergi, dan mereka tidak berkontribusi pada keseimbangan energi dari beberapa ruang kosong.

(Di sini saya mengabaikan konsep energi vakum, demi penjelasan yang intuitif.)

Tetapi katakanlah salah satu partikel virtual terperangkap oleh lubang hitam, sehingga ia tidak dapat dimusnahkan dengan mitranya. Partikel lain terbang ke arah yang berlawanan dan lolos dari lubang hitam. Yang lebih buruk, ini sekarang adalah partikel nyata - kami telah melampaui durasi yang diizinkan oleh persamaan Heisenberg, sehingga yang lolos tidak virtual lagi.

Bagaimana partikel itu menjadi nyata?

Ini adalah masalah besar, karena partikel virtual tidak memerlukan anggaran energi untuk secara singkat ada, sementara partikel nyata memang membawa energi selamanya. Sesuatu mencegah pasangan virtual dari pemusnahan itu sendiri, dan mendorong salah satu komponen ke status partikel nyata. Pasangan virtual memiliki energi nol. Partikel nyata yang lolos memiliki energi bukan nol. Energi itu harus datang dari suatu tempat.

Itu berasal dari lubang hitam. Lubang hitam melepaskan sebagian massa / energinya (hal yang sama) untuk mendorong satu partikel dari virtual menjadi nyata. Partikel lain ditangkap - tetapi menjadi virtual, tidak masalah.

Yang tidak dijelaskan oleh penjelasan intuitif ini adalah bagaimana dorongan sebenarnya terjadi. Saya tidak tahu, sihir. Entah bagaimana salah satu partikel virtual mendapat sepotong energi dari lubang hitam dan menjadi nyata.

Sekali lagi, ini bukan proses yang sebenarnya. Proses yang sebenarnya lebih kompleks . Ini hanya dongeng pop-sci.

EDIT: Untuk lebih dekat ke rumah, radiasi Hawking lebih mirip relatif dengan efek Unruh . Katakanlah pengamat inersia melihat ruang kosong di sini, di bagian volume ini. Pengamat yang cepat tidak akan melihat ruang kosong dalam volume yang sama, tetapi sebaliknya akan melihat radiasi benda hitam. Itulah efek Unruh.

Nah, gravitasi dan percepatan adalah hal yang sama, per relativitas umum. Jadi gravitasi yang kuat di dekat lubang hitam setara dengan akselerasi yang kuat. Sesuatu yang mirip dengan efek Unruh harus terjadi di sana. Itu radiasi Hawking.

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

EDIT2: Jawaban lain saat ini di halaman ini memberikan poin alternatif yang berguna, jadi periksalah juga.

Catatan kuliah ini membahas beberapa masalah, terutama pada slide 33-35.

Karena dalam ruangwaktu yang sangat melengkung dekat cakrawala, partikel virtual yang terbuat dari fluktuasi vakum ternyata memiliki kepadatan energi negatif.

Kepadatan energi = energi per satuan volume.

Partikel-partikel ini memang memiliki massa positif - lihat partikel yang lolos! - tetapi massa mereka didistribusikan sangat aneh selama ruangwaktu. (Secara kuantum, partikel memiliki volume bukan nol; ini adalah aspek dualitas partikel gelombang.)

Materi dengan kepadatan energi negatif umumnya disebut materi eksotis

dan, sedikit kemudian:

Fluktuasi vakum mekanis kuantum dalam ruangwaktu datar - jauh dari medan gravitasi yang kuat - selalu memiliki kerapatan energi nol; mereka tidak pernah eksotis.

Namun, dalam ruangwaktu melengkung, fluktuasi vakum pada umumnya eksotis: densitas energi bersihnya negatif, menurut seorang pengamat yang jauh mengukur kerapatan energi dengan mengamati defleksi cahaya oleh ansambel fluktuasi. Semakin kuat kelengkungan, semakin negatif densitas energinya.

Ini adalah penjelasan terbaik yang saya lihat sejauh ini.

Prinsip Heisenberg memungkinkan Anda untuk sementara melanggar hukum konservasi energi (mis. Membuat pasangan partikel dari ketiadaan) selama Anda membayar semuanya pada waktunya. Semakin besar pasangan partikel-antipartikel, semakin cepat harus dibayar kembali. Mengubah pasangan virtual menjadi pasangan nyata dapat dilihat sebagai menghasilkan sedikit "materi eksotis" energi negatif (apa pun itu) untuk mewakili utang yang belum dibayar. Energinya berukuran sama dengan pasangan dengan tanda yang berlawanan. Ini kemudian jatuh ke dalam lubang hitam bersama dengan salah satu partikel, mengurangi massa lubang hitam secara keseluruhan.

Cakrawala lubang hitam menghalangi penggabungan beberapa pasangan virtual, sehingga konversi ini virtual> nyata akan terjadi.

Saya menemukan ceramah ini dengan ide yang sama (lebih detail dan lebih sedikit dijagal): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf

Saya tidak tahu apakah para ahli akan setuju dengan deskripsi ini, tetapi di sini adalah bagaimana saya memahaminya:

Ruang dan horizon peristiwa berada dalam fluktuasi kuantum yang konstan. Pada dasarnya, horizon peristiwa memiliki riak kecil. Pada titik-titik di mana cakrawala peristiwa beriak (di atas radius rata-rata lubang hitam), ia memiliki jumlah energi lokal di atas rata-rata. Gravitasi yang kuat dengan cepat menarik benjolan lokal itu kembali ke bawah, benjolan yang jatuh mengirim konsentrasi energi lokal itu kembali melintasi sisa cakrawala peristiwa.

Sekarang mari kita pertimbangkan kemungkinan pasangan partikel virtual di dekat lubang. Jika pasangan partikel virtual stasioner muncul tepat di atas cakrawala peristiwa, itu akan menggabungkan kembali dan menghilang atau semuanya akan ditarik ke dalam lubang dan menghilang dalam nol. Kita membutuhkan pasangan partikel virtual yang memiliki gerakan jelas menjauh dari lubang hitam, dengan kecepatan cahaya yang hampir sama. Jika pasangan partikel virtual itu berjalan cukup cepat untuk sepenuhnya melarikan diri, mereka bergabung kembali dan menghilang. Efek nol bersih. Kita membutuhkan pasangan partikel virtual yang bergerak menjauh dari lubang hitam dengan kecepatan cahaya hampir, dan kita membutuhkan riak di cakrawala yang hanya menangkap satu partikel virtual. Saya percaya riak harus berada di bawah akselerasi ke bawah yang ekstrem agar bisa menjauh dari partikel virtual kedua, untuk menghindari penangkapan keduanya. Dan inilah bagian kuncinya: Utang energi antara pasangan partikel secara intens menarik mereka ke arah satu sama lain. Partikel yang terperangkap ditarik ke atas, secara efektif menarik ke atas pada cakrawala yang memerangkapnya. Ini memperlambat jatuhnya horison-riak, mengurangi energi yang jatuh ripple kembali ke sisa lubang hitam.

Energi yang dibutuhkan untuk menarik dua partikel virtual sama dengan energi gabungan dari dua partikel non-virtual. Jadi riak yang jatuh kehilangan energi sama dengan dua partikel, dan lubang memakan satu partikel. Semuanya seimbang dengan satu partikel yang lolos.

Saya percaya ini bekerja sama, terlepas dari apakah partikel virtual adalah foton atau pasangan materi-antimateri.

Berikut ini analogi dengan Mekanika Kuantum. Sebuah partikel di QM dapat terowongan melalui penghalang yang mustahil, yaitu bagaimana elemen yang lebih berat dari timbal dapat memiliki beberapa "terowongan" neutron mereka keluar dari inti yang keluar dari ikatan Gaya Kuat.

Black Hole kecil seperti penghalang kuantum yang dapat dilalui partikel untuk meloloskan diri. Semakin kecil penghalang (Event Horizon), semakin besar kemungkinan untuk bisa keluar. Jadi lubang hitam mikro dengan massa 228 ton dan Horizon Peristiwa 3,4 x 10 ^ -7 femtometer (secara harfiah kurang dari 1 juta ukuran proton) tidak akan berpegang pada partikel itu untuk waktu yang sangat lama dan sama sekali. Bahkan itu akan meledak dalam semburan Hawking Radiation setelah tepat 1 detik .

Lubang hitam Massa Bumi yang lebih besar dengan jari-jari seluruh sentimeter , akan bertahan lebih lama: 8 x 10 ^ 50 tahun karena kemungkinan partikel untuk menggali terowongan melalui seluruh sentimeter lebih besar untuk mencapai kebebasan.

Sumber: Penerowongan kuantum dari lubang hitam tiga dimensi: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Sumber: Radiasi Hawking dimodelkan sebagai Efek Kuantum: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817