Известно, что любой ускоренный наблюдатель подвергается тепловой ванне из-за излучения Унру. Принцип эквивалентности предполагает, что любой неподвижный наблюдатель на поверхности массивного тела также должен испытывать тепловой эффект. Действительно, подставив поверхностную гравитацию g в формулу для излучения Унру, можно найти температуру черного тела для гипотетической сверххолодной планеты:
который для Земли
можно даже найти время, за которое Земля испарится: годы.
Поскольку тепло в сверххолодной Земле не может появиться из ничего, следует предположить, что оно будет происходить от распада частиц по определенному механизму.
Иногда я слышал аргумент, что для существования излучения Хокинга необходим горизонт событий. Но этому можно противопоставить предположение о возможности распада из-за квантовых виртуальных черных дыр (которые неизбежно должны появиться из-за принципа неопределенности, и чем массивнее и плотнее тело, тем большая концентрация внутри него виртуальных черных дыр будет, со временем становящихся подобными концентрации камешков в массе кипящей воды). Или просто предположите, что любое массивное тело из-за принципа неопределенности может квантово туннелировать в состояние черной дыры, чтобы излучать излучение Хокинга.
Так какой здесь вывод?
Это более слабый предлог: тепловое состояние окружающего вакуума не означает передачи энергии, если система находится в термодинамическом равновесии.
Это более сильный предлог, предполагающий испускание радиации или потерю массы.
Ответ явно нет, но интересно посмотреть, что не так с аргументом. Я думаю, что проблема заключается в различии между эффектом Унру и эффектом Хокинга. В случае Унру нужно быть осторожным с тем, что подразумевается, а что нет: ускоренный детектор в пустом плоском пространстве будет вести себя так, как если бы он был погружен в ванну с подогревом, поскольку он обнаруживает частицы, распределенные термически. Однако это не означает, что существует излучение в смысле потока энергии из одного места в другое, пустое пространство пусто даже в координатах Риндлера. Только для настоящей черной дыры у вас есть реальное излучение, исходящее из-за горизонта.
(Я смутно припоминаю достойное обсуждение этого вопроса у Биррелла и Дэвиса).
Ответ - нет, потому что нет горизонта. Не зависящее от времени гравитационное поле не испускает частиц, потому что энергия сохраняется, точно так же, как стационарное распределение заряда не излучает. Это согласуется с принципом эквивалентности, как объясняется ниже.
В эффекте Унру испускание частиц происходит из горизонта ускорения «черной стены» позади наблюдателя. Если вы поместите охлаждаемую перегородку между черной стеной и наблюдателем, излучение будет поглощено перегородкой и не будет замечено наблюдателем. Наблюдатель, стоящий на планете, неотличим от ускоряющегося наблюдателя с планетой между ним и горизонтом ускорения, и такой наблюдатель не видит излучений от горизонта, потому что горизонт невидим.
Вы можете возразить, что горизонт бесконечен, а планета конечна, так разве вы не должны видеть горизонт достаточно далеко? Но если вы пойдете достаточно далеко, вы заметите кривизну, вызванную планетой, и это отодвинет горизонт в бесконечность, потому что в конце концов горизонта нет, вы просто стоите на планете.
Есть простой аргумент, что массивные тела, не являющиеся черными дырами, не могут излучать излучение Хокинга. Рассмотрим одиночный протон в его основном состоянии. Он не излучает излучение, потому что если бы это было так, то он должен был бы распасться до какого-то более низкого энергетического состояния. Это в конечном итоге может произойти, когда протон распадается, но излучение не является излучением черного тела, поэтому его нельзя считать излучением Хокинга.
Теперь давайте рассмотрим очень большой кристалл алмаза 1 в самом низком энергетическом состоянии. Точно так же он не может излучать никакого излучения до тех пор, пока один из его протонов не распадется 2 , и в этом случае он, вероятно, испустит некоторое количество высокоэнергетического гамма-излучения. Таким образом, любое излучение, которое он излучает, не является излучением Хокинга черного тела.
1 Примечание для педантов: в комментариях отмечается, что алмаз стабилен только при высоких давлениях. Так что смело заменяйте его кристаллом кремния.
2 Примечание. Распад протона не является частью Стандартной модели, но многие физики считают, что квантовая гравитация потребует существования распада протона, потому что во многих теориях гравитации черные дыры не сохраняют барионное и лептонное числа. Если это так, взаимодействия планковского масштаба должны нарушать закон сохранения барионного числа. (Кроме того, многие теории Великого объединения приводят к распаду протона, хотя для некоторых из них экспериментальные пределы распада протона исключают их.)
Мой предыдущий ответ не имеет значения, поскольку вопрос был отредактирован. Существует более простой пример такого рода вопроса, который очень подробно анализировался в литературе и касается электрического заряда, стационарного в гравитационном поле. Поскольку излучаемая мощность отлична от нуля, если заряд ускоряется, можно было бы, согласно принципу эквивалентности, ожидать, что такой заряд будет излучать. Я считаю, что ответ заключается в том, что это не так, но анализ тонкий. Вы можете начать со статьи Д. Боулвера "Излучение равноускоренного заряда", Annals of Physics 124 (1980), 169-187 и продвигаться дальше, просматривая цитаты из этой статьи.
Массивные тела эмпирически излучают, ограниченное соотношением массы и светимости .
Согласно закону Стефана-Больцмана (светимость на площадь) температура Хокинга-Дэвиса-Унру приводит к выражению светимости на площадь
и с
Радиус различных тел может быть определен традиционным способом из эмпирических таблиц температура-светимость и опять же по закону Стефана-Больцмана, , это соотношение светимость-радиус-температура , чтобы найти, насколько близка реальная пропорциональность к определенной выше.
Я думаю, что у вас может быть некоторое испарение для массивных объектов без горизонтов. Обычный способ думать об испарении черной дыры (см. Википедию) состоит в том, что вы получаете спонтанное образование пар частиц вблизи горизонта. Затем частица «1» засасывается, а частица «2» покидает черную дыру. Энергия в целом сохраняется, поэтому черная дыра теряет массу.
Теперь подумайте об этой планете. У нас нет горизонта, но есть гравитационное поле. Поэтому, когда создается спонтанная пара (скажем, вне атмосферы), существует (сверхмалая) вероятность того, что один из них будет втянут планетой, а другой полетит на свободу, уменьшая массу Земли. Я думаю, что это то, о чем вы говорите со своими «виртуальными черными дырами».
Так какая будет ставка? Возможно, менее одной частицы за всю жизнь Вселенной. Тип задействованной частицы может также иметь особые свойства, например: быть очень тяжелым/легким и не иметь заряда.
В текущей формулировке вопроса ответ очевиден. Излучение Хокинга не происходит ни с одним объектом, кроме объекта с горизонтом, т. е. черной дыры. Аргументы, ведущие к излучению Хокинга, неуловимы, но концептуально идея (через Сасскинда в «Войне черных дыр » ) состоит в том, что квантовые флуктуации становятся тепловыми джиттерами на горизонте событий. (Объяснение Засскинда, конечно, намного лучше.)
Чтобы быть немного более полным и конкретным, рассмотрим стандартную квантовую флуктуацию энергии, возникающую из соотношения неопределенностей между энергией и временем. Флуктуации в достаточно малых масштабах времени будут достаточно большими, чтобы привести к созданию пары частица-античастица. На горизонте черной дыры пара может разделиться так, что одна частица упадет в черную дыру, а другая вылетит наружу. Это превращает виртуальную частицу (пару) в реальную частицу, которая затем способна взаимодействовать с другим веществом.
Теперь можно сказать, что этот процесс возможен в любой системе с ненулевой массой. Однако детальная и тонкая математика процесса требует наличия горизонта событий. В качестве мысленного эксперимента представьте, что любая масса может произвести такой эффект. Это привело бы к широкомасштабному нарушению принципа неопределенности, потому что мы увидели бы изменения энергии, превышающие допустимые за соответствующий период времени.
Еще одно возражение состоит в том, что температура черной дыры, связанная с излучением Хокинга, увеличивается по мере уменьшения массы черной дыры. Если бы «нормальная» масса вела себя подобным образом, у элементарных частиц были бы огромные температуры, подобные «черным дырам».
Джерри Ширмер
Аникс