Làm thế nào chính xác bức xạ Hawking làm giảm khối lượng của các lỗ đen?


33

Từ những gì tôi hiểu cho đến nay, khi một trong những hạt ảo vượt qua chân trời sự kiện còn hạt kia thì không, chúng không thể tiêu diệt lẫn nhau. Cái sau lang thang vào vũ trụ (btw, nó vẫn còn ảo vào thời điểm này, và "ảo" nghĩa là gì vào thời điểm này, nếu vậy?), Trong khi cái kia bị lỗ đen tiêu thụ. Tôi không thấy sự kiện này góp phần làm bay hơi lỗ đen như thế nào (vì các hạt không bắt nguồn từ lỗ đen). Không phải hạt tiêu thụ thực sự bổ sung vào khối lỗ đen sao?

Câu hỏi gần nhất với tôi là bức xạ Hawking trên thực tế có mang khối lượng vào vũ trụ không? , nhưng tôi không tìm thấy câu trả lời thỏa đáng.

Tức là " hạt ảo thoát được 'tăng cường' bởi trường hấp dẫn của lỗ đen trở thành hạt thực ", thay vào đó thêm vào câu hỏi sau đó trả lời nó.

EDIT: Tôi khiêm tốn bởi những kiến ​​thức được trình bày trong các câu trả lời và cảm thấy không đủ năng lực để đánh dấu bất kỳ điều gì là phù hợp nhất. Tôi hy vọng điều này là ổn.


9
Hãy quên đi các cặp hạt ảo, nó giống như một phép ẩn dụ. Vấn đề là, các lỗ đen phát ra bức xạ, bất kể họ làm điều đó như thế nào. Bức xạ mang theo năng lượng, phải đến từ một nơi nào đó, không có bữa trưa miễn phí ở đây. Nhưng năng lượng bằng khối lượng. Tất cả xuất phát từ "tài khoản ngân hàng" hàng loạt của lỗ đen, bởi vì đó là thứ duy nhất ở gần đó.
Florin Andrei

3
@ Marko36 Không phải các hạt ảo là một phép ẩn dụ nói chung (mặc dù theo một nghĩa nào đó, tất cả các hạt, ảo hay nói cách khác chỉ là một cách xem một số khía cạnh của các trường bên dưới), nhưng chúng không thực sự là một lời giải thích rất tốt về Bức xạ Hawking. Điều này, tuy nhiên, không trả lời câu hỏi của bạn. Tôi mong muốn được nhìn thấy một câu trả lời.
Steve Linton

1
Bạn có thể muốn kiểm tra math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/virtual_particles.htmlPhys.stackexchange.com/questions/185110/ và các câu hỏi liên quan khác về Vật lý về các hạt ảo.
PM 2Ring

1
Câu hỏi này về vật lý (và câu trả lời được chấp nhận của nó đến gần nhất mà tôi chưa tìm thấy để giải quyết câu hỏi này) nhưng họ vẫn không trả lời hoàn toàn. Phys.stackexchange.com/questions/251385/ .
Steve Linton

1
@ Marko36 "các hạt ảo" là các đường bên trong trong sơ đồ Feynman và không nên thống nhất nhiều hơn thế. QFT không bao giờ gán trạng thái cho "hạt ảo". Chúng hoàn toàn ẩn dụ. Xem câu trả lời của Arnold Neumaier ( vật lý.stackexchange.com/a/252183 ) và các liên kết của anh ấy.
Robin Ekman

Câu trả lời:


28

Tôi sẽ cho bạn một câu trả lời trực quan. Hãy nhớ rằng, đây không phải là câu trả lời "thực tế", vì bức xạ Hawking phức tạp hơn một chút so với lời giải thích pop-sci điển hình với các hạt ảo. Nhưng một số biện minh trực quan là có thể tuy nhiên.

Tôi không thấy sự kiện này góp phần làm bay hơi lỗ đen như thế nào (vì các hạt không bắt nguồn từ lỗ đen).

Bạn đang thiếu một điểm quan trọng ở đây.

Khi cặp được tạo ra, đó là những hạt ảo. Sau khi một mặt của cặp được hấp thụ bởi lỗ đen và mặt còn lại được giải phóng, phần được giải phóng là một hạt thực sự. Sự khác biệt rất lớn ở đó - ảo vs thực.

Các hạt ảo không thực sự tồn tại giống như cách bạn và tôi tồn tại. Chúng dường như tồn tại trong một thời gian rất ngắn; họ càng sung sức, khoảng thời gian "tồn tại" ảo của họ càng ngắn, theo phương trình Heisenberg. Theo nhiều cách, chúng chỉ là một mẹo toán học.

Hãy nghĩ về chân không, nơi không có hạt thực sự tồn tại. Trước đây, nó chỉ là chân không. Ngay bây giờ, một cặp ảo ảo thoáng qua, rồi nó biến mất. Trong tương lai, nó lại hút bụi.

Năng lượng trước đó là gì? Số không. Năng lượng trong tương lai là gì? Số không. Năng lượng trong lúc nhấp nháy là gì? Chà, về cơ bản là bằng không, trong giới hạn cho phép bởi các phương trình của Heisenberg. Điểm mấu chốt là, các hạt ảo đến và đi, và chúng không góp phần vào sự cân bằng năng lượng của một số không gian trống.

(Tôi bỏ qua ở đây khái niệm năng lượng chân không, để giải thích trực quan.)

Nhưng giả sử một trong những hạt ảo bị kẹt bởi lỗ đen, vì vậy nó không thể tiêu diệt được với đối tác của nó. Các hạt khác bay theo hướng ngược lại và thoát khỏi lỗ đen. Tệ hơn nữa, đây là một hạt thực sự - chúng ta đã vượt quá thời lượng cho phép bởi các phương trình Heisenberg, vì vậy cái thoát ra không còn là ảo nữa.

Làm thế nào mà hạt đó trở thành hiện thực?

Đây là một vấn đề lớn, bởi vì các hạt ảo không cần ngân sách năng lượng để tồn tại trong thời gian ngắn, trong khi các hạt thực sự mang theo năng lượng mãi mãi. Một cái gì đó ngăn cản cặp ảo hủy diệt chính nó, và đẩy một trong các thành phần lên trạng thái của hạt thật. Cặp ảo có năng lượng bằng không. Các hạt thực sự đi được có năng lượng khác không. Năng lượng đó phải đến từ đâu đó.

Nó đến từ lỗ đen. Lỗ đen từ bỏ một phần khối lượng / năng lượng của nó (cùng một thứ) để tăng một hạt từ ảo thành thật. Các hạt khác bị bắt giữ - nhưng dù sao cũng là ảo, nó không thực sự quan trọng.

Điều giải thích trực quan này không nói là việc tăng thực sự xảy ra như thế nào. Tôi không biết, ma thuật. Bằng cách nào đó, một trong những hạt ảo nhận được một khối năng lượng từ lỗ đen và trở thành hiện thực.

Một lần nữa, đây không phải là quá trình thực tế. Quá trình thực tế phức tạp hơn . Đây chỉ là một câu chuyện cổ tích pop-sci.


EDIT: Để đến gần nhà hơn, bức xạ Hawking giống như một hiệu ứng gần gũi với hiệu ứng Unruh . Nói rằng một người quan sát quán tính nhìn thấy không gian trống ở đây trong khối lượng lớn này. Một người quan sát đang tăng tốc sẽ không nhìn thấy không gian trống trong cùng một thể tích, mà thay vào đó sẽ thấy bức xạ của người da đen. Đó là hiệu ứng Unruh.

Vâng, trọng lực và gia tốc là như nhau, theo thuyết tương đối rộng. Vì vậy, trọng lực mạnh gần một lỗ đen tương đương với gia tốc mạnh. Một cái gì đó tương tự như hiệu ứng Unruh phải xảy ra ở đó. Đó là bức xạ Hawking.

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

EDIT2: Các câu trả lời khác hiện tại trên trang này cung cấp các điểm thay thế hữu ích, do đó, hãy kiểm tra chúng.


4
"Câu chuyện cổ tích pop-sci" này, như bạn tự gọi nó, là một tác phẩm khá dễ chịu, tôi thậm chí còn cười. Cảm ơn. Nhưng đó là "Tôi không phải là ma thuật" Tôi là sau: làm thế nào hạt ảo có được trạng thái thực (ngoài ma thuật) và làm thế nào điều này góp phần vào sự bốc hơi BH, vì không có gì có thể thoát khỏi lỗ đen ..
Marko36


Bạn có nhận được các hạt và chống hạt theo tỷ lệ bằng nhau?
Steven Gubkin

1
Tôi đang vật lộn với một phần của trực giác - tại sao hạt thoát ra được chuyển thành "thực" trong khi hạt bị bắt (và do đó không tiêu diệt được nhiều hơn hạt thoát) vẫn là "ảo"? Tôi nghĩ rằng câu trả lời cần phải giải quyết những gì có nghĩa là thực so với ảo. Trực giác của tôi nói với tôi rằng hạt thoát và hạt bị bắt giống như thật, và do đó lỗ đen có thể mất khối lượng / năng lượng cho phép một người thoát ra, nhưng nó đã đạt được khối lượng / năng lượng của hạt bị bắt, kết quả là trong một mất mát tổng thể bằng không.
JBentley

@JBentley Dù sao nó cũng chỉ là một câu chuyện.
Florin Andrei

9

Những ghi chú bài giảng này giải quyết các vấn đề ở một mức độ nào đó, đặc biệt là trên các slide 33-35.

Bởi vì trong không thời gian bị biến dạng mạnh ở gần đường chân trời, các hạt ảo được tạo ra từ dao động chân không hóa ra có mật độ năng lượng âm.

Mật độ năng lượng = năng lượng trên một đơn vị khối lượng.

Những hạt này thực sự có khối lượng dương - nhìn vào cái đã thoát! - nhưng khối lượng của chúng được phân phối rất kỳ lạ trong không thời gian. (Nói một cách cơ học, các hạt có thể tích khác không; đây là một khía cạnh của lưỡng tính sóng hạt.)

Vật chất có mật độ năng lượng âm thường được gọi là vật chất kỳ lạ

và, một lát sau:

Dao động chân không cơ học lượng tử trong không thời gian phẳng - cách xa bất kỳ trường hấp dẫn mạnh nào - luôn có mật độ năng lượng thuần bằng không; họ không bao giờ có thể là kỳ lạ.

Tuy nhiên, trong không thời gian bị biến dạng, dao động chân không nói chung là kỳ lạ: mật độ năng lượng ròng của chúng là âm, theo một nhà quan sát ở xa đo mật độ năng lượng bằng cách quan sát độ lệch của ánh sáng bằng tập hợp dao động. Độ cong càng mạnh, mật độ năng lượng càng âm.

Đây là lời giải thích tốt nhất mà tôi đã thấy cho đến nay.


Điều đó thật tuyệt !
Florin Andrei

Tôi thích lời giải thích trong bài giảng này là tốt. Đó là lý do tại sao tôi liên kết nó trong câu trả lời của tôi vài giờ trước ...

@jakub_d. Ối xin lỗi. Bạn có muốn tôi xóa của tôi?
Steve Linton

1
Đây là một hiện tượng phức tạp. Tôi nghĩ rằng câu hỏi sẽ có lợi từ việc có nhiều câu trả lời.
Florin Andrei

3
Tôi không phiền, nhưng nếu mọi người cứ dán các phần khác nhau của bài giảng, chẳng mấy chốc chúng ta sẽ có toàn bộ điều ở đây. :) Tôi sẽ khuyến khích những người quan tâm đi đọc các ghi chú bài giảng, họ thực sự thú vị.

7

Nguyên tắc của Heisenberg cho phép bạn tạm thời vi phạm luật bảo tồn năng lượng (ví dụ: tạo các cặp hạt từ hư vô) miễn là bạn trả nợ mọi thứ kịp thời. Cặp hạt phản hạt càng lớn thì càng phải hoàn trả nhanh hơn. Chuyển đổi một cặp ảo thành một cặp thực có thể được coi là tạo ra một chút "vật chất kỳ lạ" năng lượng tiêu cực (bất kể đó là gì) để thể hiện khoản nợ chưa thanh toán. Năng lượng của nó có kích thước tương đương với cặp có dấu hiệu ngược lại. Điều này sau đó rơi vào lỗ đen cùng với một trong các hạt, làm giảm khối lượng của lỗ đen nói chung.

Đường chân trời của lỗ đen cản trở việc kết hợp lại một số cặp ảo, vì vậy những chuyển đổi này là ảo - thực sẽ xảy ra.

Tôi tìm thấy bài giảng này với cùng một ý tưởng (chi tiết hơn và ít bị đánh cắp hơn): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf


Pop-sci đưa ra giả thuyết ở đây, nhưng "vật chất kỳ lạ" có thực sự cần thiết để cân bằng phương trình này không? Nếu một cặp vật chất phản vật chất tự phát sinh và hạt chống vật chất rơi vào lỗ đen trong khi một hạt vật chất thông thường thoát ra, thì nó không nên tiêu diệt một "hạt" (vâng, tôi biết các lỗ đen là lạ ™ và Các hạt lỗ đen không thực sự là một vật, đó là lý do tại sao nó được trích dẫn) vật chất có giá trị từ lỗ đen hoặc về cơ bản lỗ đen đã quên rằng khối lượng cấu thành của nó từng được cấu thành từ vật chất?
Sidney

6
Phản vật chất @Sidney vẫn có khối lượng dương, khi positron gặp electron, chúng ta gọi đó là sự hủy diệt, nhưng kết quả không phải là 0, đó là hai photon gamma có khối lượng tương đối tương đương.

Câu trả lời này đã kích hoạt một suy nghĩ tôi không thể giúp đỡ nhưng chia sẻ. Khái niệm về ổ đĩa dọc Alcubierre đòi hỏi phải nói 'vật chất kỳ lạ', vậy về mặt lý thuyết có thể tận dụng lợi thế này để khởi động một ổ đĩa dọc không? Hay đây không phải là cùng loại vật chất / năng lượng kỳ lạ?
Kelly S. Pháp

1
@ KellyS.Fbler Nếu bạn muốn thu hoạch một số thứ mật độ năng lượng tiêu cực, bạn nên chơi với gương bay và tấm dẫn điện tốt hơn (xem hiệu ứng Casimir). Nó cũng không hoạt động, nhưng ít nhất bạn không cần một lỗ đen cho nó. :)

Tại sao điều này nên xảy ra như vậy mà tiêu cực bất cứ điều gì nó rơi vào bên trong? Bằng hình ảnh này, người ta sẽ mong đợi một hiệu ứng null trung bình.
Alchimista

1

Tôi không biết các chuyên gia có đồng ý với mô tả này không, nhưng đây là cách tôi hiểu nó:

Cả không gian và chân trời sự kiện đều dao động lượng tử không đổi. Về cơ bản, chân trời sự kiện có những gợn sóng nhỏ. Tại các điểm mà đường chân trời gợn lên (trên bán kính trung bình của lỗ đen), nó có lượng năng lượng địa phương trên trung bình. Lực hấp dẫn mãnh liệt nhanh chóng kéo vết sưng cục bộ đó xuống, vết sưng rơi khiến sự tập trung năng lượng cục bộ trở lại trên phần còn lại của chân trời sự kiện.

Bây giờ hãy xem xét các cặp hạt ảo có thể ở gần lỗ. Nếu một cặp hạt ảo đứng yên xuất hiện ngay phía trên chân trời sự kiện, nó sẽ kết hợp lại và biến mất hoặc toàn bộ vật bị kéo vào lỗ và biến mất trong không. Chúng ta cần một cặp hạt ảo có chuyển động rõ ràng từ lỗ đen, với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Nếu cặp hạt ảo đó đủ nhanh để thoát hoàn toàn, chúng sẽ kết hợp lại và biến mất. Không có hiệu ứng ròng. Chúng ta cần một cặp hạt ảo đang di chuyển ra khỏi lỗ đen với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và chúng ta cần một gợn sóng ở đường chân trời chỉ bắt được một hạt ảo. Tôi tin rằng Ripple phải được tăng tốc cực độ xuống để nó kéo ra khỏi hạt ảo thứ hai, để tránh bắt cả hai. Và đây là phần quan trọng: Nợ năng lượng giữa cặp hạt mạnh mẽ kéo chúng về phía nhau. Các hạt bị mắc kẹt đang được kéo lên trên, kéo lên trên đường chân trời bị mắc kẹt một cách hiệu quả. Điều này làm chậm sự sụp đổ của gợn chân trời, làm giảm năng lượng mà gợn rơi trở lại với phần còn lại của lỗ đen.

Năng lượng cần thiết để kéo hai hạt ảo ra bằng với năng lượng kết hợp của hai hạt không ảo. Vì vậy, gợn rơi mất năng lượng bằng hai hạt và lỗ ăn một hạt. Tất cả mọi thứ cân bằng với một hạt thoát.

Tôi tin rằng nó hoạt động như nhau, bất kể các hạt ảo là photon hay cặp vật chất phản vật chất.


0

Đây là một sự tương tự với Cơ học lượng tử. Một hạt trong QM có thể chui qua một hàng rào không thể, đó là cách các phần tử nặng hơn chì có thể có một số "đường hầm" neutron của chúng ra khỏi hạt nhân thoát ra khỏi liên kết của Lực mạnh.

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Một lỗ đen nhỏ giống như một rào cản lượng tử mà một hạt có thể chui qua để trốn thoát. Rào chắn càng nhỏ (Event Horizon), càng có nhiều khả năng có thể thoát ra. Vì vậy, một lỗ đen siêu nhỏ có khối lượng 228 tấn và Chân trời sự kiện có kích thước 3,4 x 10 ^ -7 nữ (nghĩa đen nhỏ hơn 1 phần triệu kích thước của một proton) sẽ không giữ được các hạt của nó rất lâu. Trong thực tế, nó sẽ phát nổ trong một vụ nổ Hawking Radiation sau đúng 1 giây .

Một lỗ đen khối lượng lớn hơn của Trái đất với bán kính toàn bộ một centimet , sẽ tồn tại lâu hơn nhiều: 8 x 10 ^ 50 năm bởi vì rất ít khả năng hạt có thể chui qua cả centimet để tự do.


Nguồn: Đường hầm lượng tử từ các lỗ đen ba chiều: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Nguồn: Bức xạ Hawking được mô hình hóa dưới dạng Hiệu ứng lượng tử: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.