Hố đen / Bức xạ Hawking: Tại sao chỉ chụp chống hạt?

Tôi có thể có một số chi tiết sai ở đây. Nếu vậy, đừng tập trung vào những cái đó. Chỉ tập trung vào lực đẩy chung của câu hỏi của tôi.

Tôi "hiểu" (ho) rằng các cặp hạt / chống hạt hình thành tự phát trong không gian. Tôi hiểu rằng chúng có thể hình thành gần chân trời sự kiện của một lỗ đen và một hạt có thể rơi vào, nơi mà các hạt kia khó có thể thoát ra. Tôi hiểu rằng một hạt chống sẽ hủy diệt với một hạt. Điều tôi không hiểu là tại sao chỉ có các hạt chống của các cặp hạt ảo này rơi vào lỗ đen, trong khi những hạt khác chỉ có thể trốn thoát. Không phải cả hạt và chống hạt đều có cơ hội như nhau để rơi vào, hay chỉ trốn thoát?

Có vẻ như sẽ có một cơ hội như nhau về hạt hoặc chống hạt, sẽ bị bắt trong khi "hạt khác" bị đẩy ra. Vì vậy, có vẻ như lỗ đen phải ở trạng thái ổn định khi có sự thay đổi về khối lượng đối với các hạt ảo.

Giải thích?

Tôi nghĩ rằng chất chống hạt đang hủy diệt với khối lượng "bình thường" bên trong lỗ đen? Không?

Thứ nhất, cả hạt và chất chống hạt đều có khối lượng "bình thường" (nếu chúng có khối lượng ở vị trí đầu tiên) và năng lượng "bình thường" (dương). Sự khác biệt giữa chúng là một vấn đề quy ước hoặc một câu hỏi về loại nào phổ biến hơn trong vũ trụ. Hơn nữa, đối với các lỗ đen có khối lượng điển hình, phần lớn bức xạ Hawking sẽ được tạo ra từ các photon, nói một cách chính xác thậm chí không có các hạt chống, mặc dù người ta cũng có thể nói rằng chúng là hạt chống hạt của riêng chúng.

Không phải cả hạt và chống hạt đều có cơ hội như nhau để rơi vào, hay chỉ trốn thoát?

Có, và những người không tính phí làm. Một lỗ đen nhỏ hơn sẽ tỏa ra cả neutrino và phản neutrino, giả sử tất cả neutrino đều to lớn (nếu không, tất cả các lỗ đen sẽ làm được điều đó), và một người đủ nhỏ (và đủ nóng) sẽ tỏa ra cả electron và positron. Rất đại khái, một lỗ đen sẽ tỏa ra lượng hạt không đáng kể khi nhiệt độ của lỗ đen theo thứ tự khối lượng hạt hoặc lớn hơn, tính theo đơn vị tự nhiên.

Có vẻ như sẽ có một cơ hội như nhau về hạt hoặc chống hạt, sẽ bị bắt trong khi "hạt khác" bị đẩy ra.

Đúng, với một ngoại lệ nhỏ là nếu một lỗ đen nóng có điện tích, thì nhiều khả năng sẽ phát ra các hạt có cùng dấu hiệu điện tích.

Vì vậy, có vẻ như lỗ đen phải ở trạng thái ổn định khi có sự thay đổi về khối lượng đối với các hạt ảo.

Nếu một hạt hoặc một hạt chống rơi vào lỗ đen, khối lượng của nó sẽ tăng lên. Nó không thành vấn đề. Về cơ bản, các "lý do" cho bức xạ Hawking là trạng thái chân không trong lý thuyết trường lượng tử là một trạng thái năng lượng thấp nhất, nhưng các nhà quan sát khác nhau có thể không đồng ý về mà nhà nước là chân không. Do đó, vì các hạt đang dao động trên đỉnh của chân không, chúng có thể không đồng ý về việc có hay không có các hạt.

Tôi không nghĩ rằng có một cách tốt để sửa chữa câu chuyện "phản hạt rơi" ngoại trừ một số lời kêu gọi bảo vệ năng lượng: nếu hạt thoát ra là có thật và có năng lượng tích cực, thì hạt rơi vào phải có năng lượng âm, và sẽ do đó làm giảm khối lượng của lỗ đen. Thật không may, điều đó chỉ cho thấy những gì phải xảy ra để tình huống được nhất quán, chứ không phải nó thực sự xảy ra.

Mặc dù với một số kiến ​​thức về thuyết tương đối rộng, người ta có thể thúc đẩy điều này hơn một chút - ví dụ, đối với lỗ đen Schwarzschild, có sự bảo tồn năng lượng được đưa ra bởi một trường vectơ Killing, đi từ thời gian giống nhau đến spacelike ở đường chân trời - vì vậy bên ngoài là gì người quan sát coi thời gian / năng lượng sẽ là không gian / động lượng bên trong lỗ đen và động lượng được phép âm.

Đầu tiên, tôi muốn chỉ ra và khen ngợi câu trả lời của @ user83692435 xuất hiện trước và đúng. Mở rộng về nó:

Hình ảnh của một cặp hạt / hạt ảo được tạo ra và sau đó một trong hai cặp bị nuốt chửng bởi chân trời sự kiện để lại cái kia là thật là một sự tương tự cung cấp một hình ảnh về những gì đang xảy ra, nhưng chắc chắn là không chính xác. Các nhà phổ biến tiếp tục sử dụng nó bởi vì những gì đang thực sự diễn ra là vô cùng phức tạp và không dễ giải thích bằng lời. (Và tôi sẽ không thử!) Nhưng đây là một liên kết đến một bài viết kỹ thuật về chủ đề này .

Nhưng có lẽ điểm đáng nói nhất chống lại lời giải thích đơn giản là bức xạ Hawking không đến từ chân trời sự kiện mà sự tương tự đòi hỏi, mà từ không gian bên ngoài nó!

Điểm thứ hai chống lại sự tương tự Hawking là chân trời sự kiện nằm rất sâu trong giếng tiềm năng của lỗ đen. Để một hạt hoặc photon thoát khỏi BH (mà bức xạ Hawking phải), nó phải được tạo ra với đủ năng lượng bổ sung để thoát BH - và BH có thể nghĩ về một vật thể có vận tốc thoát lớn hơn tốc độ ánh sáng. Các hạt ảo nhỏ bé Wimpy đã mất đối tác của họ với BH sẽ không bao giờ phát hiện ra.

Nếu bạn muốn tìm hiểu sâu hơn một chút, tôi khuyên bạn nên sử dụng Backreaction của Sabine Hossenfelder có một bài đăng dài với nhiều liên kết để biết thêm thông tin. Backreaction là một trong những blog phổ biến nhất về vật lý biên giới hiện nay, một phần quan trọng bởi vì Hossenfelder là một nhà nghiên cứu tích cực và là một nhà văn giỏi.

Bạn đã hơi đánh giá sai một cách phổ biến (mặc dù xấu) để mô tả bức xạ Hawking. Các nhà phổ biến vật lý đôi khi mô tả nó như một cặp hạt được tạo ra, một trong số đó là vật chất và một trong số đó là vật chất âm. Hoặc một trong số đó là phản vật chất và một trong số đó là phản vật chất âm. Vì vậy, proton của bạn thoát ra và proton vật chất tiêu cực của bạn được hấp thụ. Hoặc antiproton của bạn thoát ra và antiproton âm tính của bạn được hấp thụ. Các vật chất âm (hoặc phản vật chất âm) thu nhỏ lỗ đen.

Mặc dù đây là một cách phổ biến để mô tả mọi thứ cho những người không phải là nhà vật lý, nhưng đó là một cách tồi để mô tả nó. Thật khó hiểu bởi vì nó gợi ý chính xác câu hỏi mà bạn nêu ra: tại sao vật chất tiêu cực không bay ra ngoài và thu nhỏ ngôi sao hoặc hành tinh đầu tiên mà nó chạm phải? Ngoài ra, vấn đề tiêu cực chưa bao giờ được phát hiện. Không có lý do cụ thể để nghĩ rằng đó là một cấu trúc hữu ích để hiểu các lỗ đen. (Mặc dù nếu nó tồn tại, bạn có thể sử dụng nó để ổn định lỗ sâu đục, điều này có thể rất hữu ích).

Tốt hơn là mô tả bức xạ Hawking như các câu trả lời khác ở đây đã thực hiện mà không cần dùng đến các hạt âm ảo.

Giải thích về bức xạ Hawking khi các hạt ảo hình thành và một hạt rơi vào lỗ đen là một hạt không hoàn chỉnh. Stephen Hawking ban đầu tưởng tượng một con đường từ quá khứ xa xôi đến tương lai xa và và trắc địa (con đường ánh sáng) đi qua nó. Một lỗ đen được hình thành trên đường đi của trắc địa ngay trước khi nó đi qua nơi hình thành lỗ đen. Đây là trắc địa cuối cùng để làm như vậy.
Chân không không trống. Nó bao gồm một số rung động vì nguyên tắc không chắc chắn. Trường chân không này được tạo thành từ nhiều chế độ tần số. Họ tiếp tục tạo ra cặp chống hạt ảo hủy diệt lẫn nhau. Các hạt chống có thể được coi là một rung động trong trường lượng tử có tần số âm, tức là quay ngược thời gian. Lỗ đen hình thành làm lu mờ một số tần số của trắc địa đi qua. Vì vậy, trắc địa tạo ra các trường từ các tần số còn lại. Và vì hạt chống có thể được coi là hạt có tần số truyền ngược thời gian, tần số của nó luôn bị mất vào lỗ đen và trường tạo ra hạt ảo từ các chế độ tần số còn lại.