Как именно излучение Хокинга уменьшает массу черных дыр?

Я собираюсь дать вам интуитивный ответ. Имейте в виду, что это не «настоящий» ответ, поскольку излучение Хокинга немного сложнее, чем типичное поп-научное объяснение с виртуальными частицами. Но некоторое интуитивное обоснование все же возможно.

Я не вижу, как это событие способствует испарению черной дыры (поскольку частицы происходят не из черной дыры).

Вы упускаете здесь ключевой момент.

Когда пара была сгенерирована, это были виртуальные частицы. После того, как одна сторона пары была поглощена черной дырой, а другая сторона была отпущена, высвобожденная часть представляет собой настоящую частицу. Там огромная разница - виртуальный против реального.

Виртуальные частицы на самом деле не существуют так же, как мы с вами. Кажется, что они существуют очень короткое время; чем они более энергичны, тем короче интервал их виртуального «существования» по уравнению Гейзенберга. Во многом они являются просто математическим трюком.

Представьте себе вакуум, в котором не существует реальных частиц. Раньше это был просто вакуум. Прямо сейчас виртуальная пара ненадолго мерцает, затем исчезает. В будущем опять вакуум.

Какая энергия была раньше? Нуль. Какова энергия будущего? Нуль. Какова энергия во время мерцания? Ну, это в основном ноль, в пределах, допускаемых уравнениями Гейзенберга. Суть в том, что виртуальные частицы приходят и уходят, и они не вносят вклад в энергетический баланс какого-то пустого куска пространства.

(Я игнорирую здесь концепцию энергии вакуума ради интуитивного объяснения.)

Но предположим, что одна из виртуальных частиц попадает в ловушку черной дыры и не может аннигилировать со своей копией. Другая частица летит в противоположном направлении и покидает черную дыру. Что еще хуже, теперь это реальная частица — мы превысили продолжительность, разрешенную уравнениями Гейзенберга, поэтому та, что ускользает, больше не является виртуальной.

Как эта частица стала реальной?

Это большая проблема, потому что виртуальные частицы не нуждаются в энергетическом балансе, чтобы существовать недолго, в то время как реальные частицы несут энергию вечно. Что-то помешало виртуальной паре аннигилировать себя и возвысило один из компонентов до статуса реальной частицы. Виртуальная пара имеет нулевую энергию. Реальная частица, которая улетает, имеет ненулевую энергию. Эта энергия должна откуда-то браться.

Оно исходит из черной дыры. Черная дыра отдает часть своей массы/энергии (то же самое), чтобы поднять одну частицу из виртуальной в реальную. Другая частица захвачена, но в любом случае, будучи виртуальной, это не имеет большого значения.

Чего это интуитивное объяснение не говорит, так это того, как на самом деле происходит повышение. Не знаю, магия. Каким-то образом одна из виртуальных частиц получает часть энергии от черной дыры и становится реальной.

Опять же, это не реальный процесс. Фактический процесс является более сложным . Это просто научно-популярная сказка.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Чтобы попасть ближе к цели, излучение Хокинга больше похоже на близкий родственник эффекта Унру . Скажем, инерциальный наблюдатель видит здесь, в этом куске объема, пустое пространство. Ускоряющийся наблюдатель не увидит пустого пространства в том же объеме, а вместо этого увидит излучение абсолютно черного тела. Это эффект Унру.

Ну, согласно общей теории относительности, гравитация и ускорение — одно и то же. Таким образом, сильная гравитация вблизи черной дыры эквивалентна сильному ускорению. Там должно произойти что-то похожее на эффект Унру. Это излучение Хокинга.

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

EDIT2: другие ответы, которые в настоящее время находятся на этой странице, содержат полезные альтернативные точки, поэтому проверьте их тоже.

Эти конспекты лекций в некоторой степени затрагивают вопросы, особенно на слайдах 33-35.

Потому что в сильно искривленном пространстве-времени у горизонта виртуальные частицы, образованные флуктуациями вакуума, оказываются с отрицательной плотностью энергии.

Плотность энергии = энергия на единицу объема.

Эти частицы действительно имеют положительную массу — посмотрите на ту, которая улетела! -- но их масса очень странно распределена в пространстве-времени. (С точки зрения квантовой механики частицы имеют ненулевой объем; это аспект корпускулярно-волнового дуализма.)

Вещество с отрицательной плотностью энергии обычно называют экзотическим веществом.

и, чуть позже:

Квантово-механические флуктуации вакуума в плоском пространстве-времени — вдали от сильного гравитационного поля — всегда имеют нулевую результирующую плотность энергии; они никогда не могут быть экзотическими.

Однако в искривленном пространстве-времени флуктуации вакуума вообще экзотичны: их результирующая плотность энергии отрицательна, по словам удаленного наблюдателя, измеряющего плотность энергии путем наблюдения за отклонением света ансамблем флуктуаций. Чем сильнее искривление, тем более отрицательной выглядит плотность энергии.

Это лучшее объяснение, которое я когда-либо видел.

Принцип Гейзенберга позволяет вам временно нарушать законы сохранения энергии (например, создавать пары частиц из ничего), пока вы вовремя расплачиваетесь за все. Чем больше пара частица-античастица, тем быстрее она должна окупиться. Преобразование виртуальной пары в реальную пару можно рассматривать как создание небольшого количества «экзотической материи» отрицательной энергии (что бы это ни было) для представления невыплаченного долга. Его энергия равна по размеру паре с противоположным знаком. Затем он падает в черную дыру вместе с одной из частиц, уменьшая массу черной дыры в целом.

Горизонт черной дыры мешает рекомбинации некоторых виртуальных пар, поэтому эти преобразования виртуальные->реальные будут происходить.

Я нашел эту лекцию с той же идеей (более подробной и менее избитой): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf

Не знаю, согласятся ли с этим описанием специалисты, но вот как я это понимаю:

И пространство, и горизонт событий находятся в постоянных квантовых флуктуациях. По сути, горизонт событий имеет крошечную рябь. В точках, где горизонт событий изгибается (выше среднего радиуса черной дыры), он имеет количество локальной энергии выше среднего. Интенсивная гравитация быстро тянет этот локальный выступ обратно вниз, а падающий удар отправляет эту локальную концентрацию энергии обратно через остальную часть горизонта событий.

Теперь рассмотрим возможные пары виртуальных частиц вблизи дыры. Если стационарная виртуальная пара частиц появляется прямо над горизонтом событий, она либо рекомбинирует и исчезает, либо вся эта частица затягивается в дыру и исчезает в нуле. Нам нужна виртуальная пара частиц, которая движется от черной дыры почти со скоростью света. Если эта виртуальная пара частиц движется достаточно быстро, чтобы полностью ускользнуть, они рекомбинируют и исчезают. Нулевой чистый эффект. Нам нужна виртуальная пара частиц, которая удаляется от черной дыры почти со скоростью света, и нам нужна рябь на горизонте, которая захватывает только одну виртуальную частицу. Я полагаю, что пульсация должна иметь экстремальное нисходящее ускорение, чтобы оторваться от второй виртуальной частицы и не зацепить обе. И вот ключевая часть: Энергетический долг между парой частиц интенсивно притягивает их друг к другу. Захваченная частица притягивается вверх, эффективно притягивая вверх горизонт, который ее захватил. Это замедляет падение ряби горизонта, уменьшая энергию, которую падающая рябь возвращает остальной части черной дыры.

Энергия, необходимая для того, чтобы разделить две виртуальные частицы, равна суммарной энергии двух невиртуальных частиц. Так что падающая пульсация теряет энергию, равную двум частицам, а дырка съедает одну частицу. Все уравновешивается одной ускользнувшей частицей.

Я считаю, что это работает одинаково, независимо от того, являются ли виртуальные частицы фотонами или парой материи-антиматерии.

Вот аналогия с квантовой механикой. Частица в КМ может туннелировать через невозможный барьер, и именно так элементы тяжелее свинца могут иметь некоторые из своих нейтронов, которые «туннелируют» из ядра, избегая связей Сильного Силы.

Маленькая черная дыра подобна квантовому барьеру, через который частица может туннелировать, чтобы убежать. Чем меньше барьер (горизонт событий), тем больше вероятность того, что он сможет выйти наружу. Так что микрочерная дыра массой 228 тонн и горизонтом событий 3,4 x 10^-7 фемтометров (буквально меньше 1 миллионной доли протона) не будет удерживать свои частицы очень долго и вообще. На самом деле он взорвется во вспышке излучения Хокинга ровно через 1 секунду .

Большая черная дыра Массы Земли с радиусом в целый сантиметр будет существовать намного дольше: 8 x 10^50 лет , потому что гораздо меньше вероятность того, что частица туннелирует через целый сантиметр, чтобы выбраться на свободу.

Источник: Квантовое туннелирование трехмерных черных дыр: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Источник: Излучение Хокинга, смоделированное как квантовый эффект: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817 .