Есть ли лучшее объяснение радиации Хокинга?

Я пишу статью о радиации Хокинга и обнаружил, что у меня есть проблема. «Данное» объяснение, которое я нахожу в Википедии и в других местах, является неудовлетворительным:

«Физическое понимание процесса можно получить, представив, что излучение частица-античастица испускается непосредственно за горизонтом событий. Это излучение не исходит непосредственно от самой черной дыры, а скорее является результатом того, что виртуальные частицы« ускоряются » гравитация черной дыры, превращаясь в реальные частицы ^[10] . Поскольку пара частица-античастица создавалась гравитационной энергией черной дыры, выход одной из частиц снижает массу черной дыры ^[11], Альтернативный взгляд на процесс состоит в том, что колебания вакуума приводят к тому, что пара частица-античастица появляется вблизи горизонта событий черной дыры. Одна пара падает в черную дыру, а другая убегает. Чтобы сохранить полную энергию, частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию ... »

Он опирается на виртуальные частицы и частицы с отрицательной энергией. Однако колебания вакуума - это не то же самое, что виртуальные частицы, которые существуют только в математике модели , и мы знаем о частицах с отрицательной энергией. Поэтому я ищу лучшее объяснение. Статья Wikpedia также говорит это:

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

Однако это говорит о том, что рождение пар происходит внутри горизонта событий, что, по-видимому, не учитывает бесконечное гравитационное замедление времени, и что один из них а) появляется за пределами горизонта событий и б) убегает как излучение Хокинга, когда рождение пар обычно включает создание электрон и позитрон. Опять неудовлетворительно. Так:

Есть ли лучшее объяснение радиации Хокинга?

— Джон Даффилд
источник

Падающая частица не требует отрицательной энергии. Все, что имеет значение, - это то, что некоторые фотоны уходят в бесконечность, что означает, что часть энергии, которая была «заимствована» из гравитационного поля, теряется (в форме этих фотонов). Таким образом, гравитационное поле ослабевает, что уменьшает кажущуюся массу / энергию. Но «очевидное» - это то, что мы видим как отдаленные наблюдатели. То, что происходит внутри горизонта событий ... находится в диапазоне предположительно ни к чему. Тем не менее, я не думаю, что есть мнение большинства о том, как возникает излучение, или если оно вообще существует ...

— Зибадава Тимми

Вы могли бы найти больше на Физике SE, учитывая довольно эзотерическую природу этого материала.

— StephenG

Отметил Стивен. @zibadawa Тимми: но как вы «заимствуете» энергию из гравитационного поля? И если вы это сделаете, то как энергия будет вытекать из горизонта событий еще больше, пока у вас не будет черной дыры?

— Джон Даффилд

Джон, из твоих вопросов звучит так, будто ты не понимаешь понятия потенциальной энергии или энергии, запасенной в полях (гравитационных, электрических и т. Д.). Я бы начал с чтения этих понятий.

— Карл Виттофт

1. Все эти словесные объяснения являются лишь метафорами. Реальная сделка состоит в том, чтобы делать вычисления Хокинга - это реальное объяснение. 2. Вот еще одна метафора: черная дыра - это не что иное, как огромная кривизна пространства-времени, связанная с самим собой - и название, которое мы имеем для кривизны пространства-времени, - «гравитация». Черная дыра - ничто иное, как гравитация, достаточно интенсивная, чтобы сохраняться. Пары p / anti-p создаются так же, как любое чрезвычайно сильное поле может генерировать частицы: когда у вас много энергии, частицы могут выскочить из нее. Например, электромагнитное излучение может сделать это тоже.

— Флорин Андрей

Ответы:

Энди Гулд предложил классический вывод излучения Хокинга в несколько неясной статье 1987 года . Существенным аргументом является то, что черная дыра должна иметь конечную ненулевую энтропию (в противном случае вы можете нарушить второй закон термодинамики с черной дырой). Более того, энтропия черной дыры должна зависеть только от ее площади (в противном случае вы можете изменить площадь черной дыры с помощью процесса Пенроуза, снизить ее энтропию и создать вечный двигатель). Если черная дыра имеет энтропию и массу, то она имеет температуру. Если у него есть температура, то он должен излучать термически (иначе вы можете снова нарушить второй закон термодинамики).

Конечно, если вы посмотрите на температуру излучения Хокинга, там есть постоянная Планка, так что она должна знать кое-что о квантовой механике, верно? Но оказывается, что на самом деле термодинамика в целом знает о квантовой механике, а не об общей теории относительности - постоянная Планка необходима только для сохранения энтропии конечной (и, следовательно, температуры ненулевой). Это верно как для черных дыр, так и для черных тел.

— Дж. О'Брайен Антогнини
источник

Это было интересное чтение, но я отметил это на странице 5: «Теперь можно подумать о проведении эксперимента, впервые предложенного Героком . Адиабатически опускается идеально отражающая коробка, заполненная электромагнитным излучением при температуре T >> T до радиуса Шварцшильда r, близкого к горизонту событий. Затем кто-то обменивается излучением с дыркой… » $^{[8]}$ $_{BH}$ Конечно, нет обмена из-за бесконечного гравитационного замедления времени? Геданкенский эксперимент Герока из Принстонского коллоквиума 1971 года, по-видимому, широко упоминается, но не опубликован. Интересный пример, еще раз спасибо.

— Джон Даффилд

Вы не опускаете коробку точно до горизонта событий, только близко к горизонту событий. Таким образом, есть замедление времени, но оно не бесконечно, и радиация может быть обменена.

— Дж. О'Брайен Антогнини

Я что-то здесь упускаю. Если вы опустите коробку с геданкеном в какое-то место рядом с горизонтом событий, тогда обменяйтесь излучением с отверстием, тогда, когда вы поднимите коробку, в ней не будет излучения. Предполагая, что черная дыра поглотила излучение (или, по крайней мере, его часть), масса черной дыры увеличивается. Я посмотрю, смогу ли я найти другое объяснение сценария Героха.

— Джон Даффилд

Я нашел это , см. Стр. 2, но это неправильно. Когда вы опускаете коробку и выполняете работу, на горизонте событий она получает половину энергии, с которой она начала. И я тоже нашел это: arxiv.org/abs/physics/0501056 .

— Джон Даффилд

Я бы не стал доверять Arxiv газете, которую вы связали - ей около 12 лет, но она никогда не была опубликована в рецензируемом журнале и не имеет ссылок. Это выглядит странно для меня. И в первом (более заслуживающем доверия) обращении я не уверен, откуда вы взяли, что коробка имеет половину энергии, с которой она началась.

— Дж. О'Брайен Антогнини

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 относительно частиц по сравнению с античастицами, или каков вакуум. Эти разногласия не означают, что «все относительно», потому что есть хорошие формулы для того, как переводить описания в разных системах координат. Это преобразования Боголюбова.

В частности, он продолжает говорить

с одной стороны, мы можем разделить решения уравнений Максвелла на положительную частоту наиболее очевидным образом, чтобы это сделал кто-то вдали от черной дыры и в далеком будущем ...

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

Таким образом, то, что наблюдатель в далеком прошлом думал, было действительно пустым пространством без (не виртуальных) частиц или античастиц, наблюдатель в далеком будущем мог бы видеть пространство с совершенно хорошими частицами (и античастицами) в нем. Эти частицы являются излучением Хокинга.

— Стив Линтон
источник