Есть ли лучшее объяснение излучения Хокинга?

Я пишу статью об излучении Хокинга и обнаружил, что у меня есть проблема. «Данное» объяснение, которое я нахожу в Википедии и других источниках, неудовлетворительно:

«Физическое понимание процесса можно получить, представив себе, что излучение частицы-античастицы испускается сразу за горизонтом событий. Это излучение не исходит непосредственно от самой черной дыры, а скорее является результатом «ускорения» виртуальных частиц. гравитация черной дыры превращается в реальные частицы [10] .Поскольку пара частица-античастица была создана гравитационной энергией черной дыры, уход одной из частиц уменьшает массу черной дыры [11]. Альтернативный взгляд на этот процесс состоит в том, что флуктуации вакуума вызывают появление пары частица-античастица вблизи горизонта событий черной дыры. Один из пары падает в черную дыру, а другой убегает. Чтобы сохранить полную энергию, частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию..."

Он основан на виртуальных частицах и частицах с отрицательной энергией. Однако флуктуации вакуума — это не то же самое, что виртуальные частицы, которые существуют только в математике модели , и мы знаем об известных частицах с отрицательной энергией. Поэтому я ищу лучшее объяснение. В статье Википедии также говорится об этом:

«В другой модели процесс представляет собой эффект квантового туннелирования, при котором пары частица-античастица будут формироваться из вакуума, а одна будет туннелировать за горизонт событий [10] ».

Однако это предполагает, что рождение пар происходит внутри горизонта событий, что, по-видимому, игнорирует бесконечное гравитационное замедление времени, и что одно из них а) появляется за пределами горизонта событий и б) уходит как излучение Хокинга, тогда как рождение пар обычно связано с созданием электрон и позитрон. Опять неудовлетворительно. Так:

Есть ли лучшее объяснение излучения Хокинга?

Частица, падающая внутрь, не требует отрицательной энергии. Все, что имеет значение, это то, что некоторые фотоны уходят в бесконечность, а это означает, что часть энергии, которая была «позаимствована» у гравитационного поля, теряется (в виде этих фотонов). Таким образом, гравитационное поле ослабевает, что уменьшает кажущуюся массу/энергию. Но «кажущееся» — это всего лишь то, что мы видим как отдаленные наблюдатели. То, что происходит внутри горизонта событий, находится в диапазоне от предположений до нуля. Тем не менее, я не думаю, что есть мнение большинства о том, как возникает излучение, и существует ли оно вообще...
Вы можете найти больше на Physics SE, учитывая довольно эзотерический характер этого материала.
отметил Стивен. @zibadawa timmy: а как вы «заимствуете» энергию у гравитационного поля? И если вы это сделаете, как тогда энергия будет просачиваться за горизонт событий, пока вы не останетесь без черной дыры?
Джон, судя по вашим вопросам, вы не понимаете концепции потенциальной энергии или энергии, хранящейся в полях (гравитационных, электрических и т. д.). Я бы начал с чтения об этих концепциях.
@JohnDuffield Попробуйте встать на стул и спрыгнуть. Вы только что «позаимствовали» энергию у гравитационного поля Земли. Как еще увеличилась ваша скорость вниз, как не за счет взятия откуда-то энергии?
@Carl Witthoft: я понимаю такие концепции. Когда я поднимаю кирпич, я работаю над ним. Я добавляю ему энергию, увеличивая его массу. Когда я затем бросаю кирпич, сила тяжести преобразует потенциальную энергию кирпича в кинетическую энергию. Когда кирпич падает на землю, кинетическая энергия рассеивается, и у вас остается дефицит массы . Потенциальная энергия запасалась не в гравитационном поле, а в кирпиче. Если вы поднимете кирпич так высоко, что придадите ему скорость убегания, он унесет с собой всю потенциальную энергию.
Я думаю, что это, вероятно, лучше для физики. Это слишком квантовая теория для астрономии. Но мне нравится ваш хотя экспериментальный подход, и мне нравится ваш вопрос. Небольшое замечание: замедление времени может быть бесконечным только на точном горизонте, а не внутри. Это может позволить некоторое туннелирование, связанное с вашей второй цитатой. Но я не эксперт.
1. Все эти словесные объяснения — всего лишь метафоры. Настоящая сделка заключается в выполнении расчетов Хокинга — вот настоящее объяснение. 2. Вот еще одна метафора: черная дыра — это не что иное, как огромное искривление пространства-времени, связанное с самой собой, и мы называем это искривление пространства-времени «гравитацией». Черная дыра — не что иное, как гравитация, достаточно интенсивная, чтобы сохраняться. Пары р/анти-р возникают точно так же, как любое чрезвычайно интенсивное поле может генерировать частицы: когда у вас много энергии, частицы могут выскочить из него. Например, электромагнитное излучение тоже может это сделать.
@Florin Андрей: главное - это понимание. И я боюсь, что искривление пространства-времени — это не «гравитация». Кривизна пространства-времени - это «приливная сила». А из него выскакивают частицы - это вообще не объяснение. Потому что, если энергия вакуума вблизи черной дыры каким-то образом преобразуется, скажем, в электроны и позитроны, велика вероятность, что они оба упадут в черную дыру. Черная дыра будет расти, а не испаряться.
В силу сохранения импульса частицы в паре должны двигаться в противоположных направлениях. Если случится так, что кто-то будет направлен в сторону от EH и у него будет достаточно кинетической энергии, он убежит. Также ЧД не может «вырасти» из вакуумных флуктуаций — это нарушило бы закон сохранения энергии.
@JohnDuffield Нет, потому что энергия просто вернется в поле, из которого она исходит, так что никаких чистых изменений. И крайне маловероятно, что массивные частицы будут иметь достаточный импульс, чтобы покинуть черную дыру. Это фотоны, которые они производят, имеют реальный шанс уйти в бесконечность. Энергия этих фотонов исходила, в конечном счете, из гравитационного поля. Те, кто не убегают, просто возвращают свою энергию. В любом случае нет никакого чистого изменения в полной энергии, просто у некоторой ее части есть шанс стать (теоретически) наблюдаемыми фотонами, уменьшая видимое гравитационное поле.
Попробуйте «Краткую историю времени». Серьезно, что может быть лучше, чем общедоступная книга самого человека.

Ответы (2)

Энди Гулд предложил классический вывод излучения Хокинга в малоизвестной статье 1987 года . Важным аргументом является то, что черная дыра должна иметь конечную, ненулевую энтропию (иначе вы могли бы нарушить второй закон термодинамики с черной дырой). Более того, энтропия черной дыры должна зависеть только от ее площади (иначе можно было бы изменить площадь черной дыры с помощью процесса Пенроуза, понизить ее энтропию и сделать вечный двигатель). Если у черной дыры есть энтропия и масса, то у нее есть и температура. Если у него есть температура, то он должен излучать тепло (иначе можно снова нарушить второй закон термодинамики).

Конечно, если вы посмотрите на температуру излучения Хокинга, там есть постоянная Планка, так что она должна что-то знать о квантовой механике, верно? Но оказывается, что на самом деле о квантовой механике знает термодинамика в целом, а не общая теория относительности — постоянная Планка нужна только для того, чтобы поддерживать конечность энтропии (и, следовательно, температуры, отличные от нуля). Это справедливо как для черных дыр, так и для черных тел.

Это было интересное чтение, но я отметил это на странице 5: «Теперь можно подумать о проведении эксперимента, впервые предложенного Герохом. [ 8 ] . Идеально отражающий ящик, наполненный электромагнитным излучением, адиабатически опускают при температуре T >> T Б ЧАС до радиуса Шварцшильда r, близкого к горизонту событий. Затем происходит обмен излучением с дырой…» Неужели нет никакого обмена из-за бесконечного гравитационного замедления времени? Эксперимент Героха с мысленным взором, проведенный на коллоквиуме в Принстоне в 1971 году, кажется, широко упоминается, но не опубликован. Интересный ход, еще раз спасибо.
Вы не опускаете ящик точно до горизонта событий, только близко к горизонту событий. Так что замедление времени есть, но оно не бесконечно, и можно обмениваться излучением.
Я что-то здесь упускаю. Если вы опустите мысленный ящик в какое-то место рядом с горизонтом событий, а затем обменяетесь излучением с дырой, то, когда вы потянете ящик вверх, в нем не будет излучения. Если предположить, что черная дыра поглотила излучение (или хотя бы его часть), масса черной дыры увеличится. Я посмотрю, смогу ли я найти другое объяснение сценария Героха.
Я нашел это , см. стр. 2, но это неправильно. Когда вы опускаете коробку и выполняете работу, на горизонте событий у коробки остается половина энергии, с которой она начиналась. И еще я нашел это: arxiv.org/abs/physics/0501056 .
Я бы не стал доверять статье Arxiv, на которую вы ссылаетесь, -- ей около 12 лет, но она никогда не публиковалась в рецензируемом журнале и не цитировалась. Это выглядит странно для меня. И в первом (более достоверном) упоминании я не уверен, откуда вы взяли, что коробка имеет половину энергии, с которой она началась.
Джо: опубликована она или нет, в статье есть несколько интересных моментов. Возьмем коробку, нарисуйте квадратную коробку, затем поверните ее на 45 градусов и расположите одну электромагнитную волну так, чтобы она шла по прямоугольной траектории. Горизонтали сгибаются вниз, а вертикали нет. Вы не можете извлечь этот компонент волновой энергии.

На этой веб-странице есть довольно хорошее объяснение . Ключевой отрывок таков:

в искривленном пространстве-времени нет этих «лучших» систем координат, инерциальных. Таким образом, даже очень разумный выбор координат может привести к разногласиям по поводу частиц и античастиц или того, что такое вакуум. Эти разногласия не означают, что «все относительно», потому что есть хорошие формулы перевода между описаниями в разных системах координат. Это преобразования Боголюбова.

В частности, он продолжает говорить

с одной стороны, мы можем разделить решения уравнений Максвелла на положительную частоту самым очевидным способом, который сделал бы кто-то далеко от черной дыры и в далеком будущем...

а с другой стороны, мы можем разделить решения уравнений Максвелла на положительную частоту самым очевидным способом, который сделал бы кто-то в далеком прошлом, до того, как произошел коллапс в черную дыру.

Таким образом, то, что наблюдатель в далеком прошлом считал действительно пустым пространством без (невиртуальных) частиц или античастиц, наблюдатель в далеком будущем может видеть как пространство с совершенно хорошими частицами (и античастицами) в нем. Эти частицы и есть излучение Хокинга.

Есть ли лучшее объяснение излучения Хокинга?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v