Как именно излучение Хокинга уменьшает массу черных дыр?

Из того, что я понимаю до сих пор, когда одна из виртуальных частиц пересекает горизонт событий, а другая нет, они не могут уничтожить друг друга. Последний уходит во вселенную (кстати, он все еще виртуален в этой точке и что означает «виртуальный» в этой точке, если так?), А другая поглощается черной дырой. Я не вижу, как это событие способствует испарению черной дыры (поскольку частицы не происходят из черной дыры). Разве поглощенная частица на самом деле не должна составлять массу черной дыры?

Самый близкий вопрос к мне - действительно ли излучение Хокинга приносит массу во вселенную? , но я не считаю ответы удовлетворительными.

Т.е. « сбежавшая виртуальная частица « усиливается »гравитационным полем черной дыры, превращаясь в реальную частицу », скорее добавляет к вопросу, а затем отвечает на него.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Я смирен знания, представленные в ответах и ​​чувствую себя некомпетентным, чтобы пометить любой как наиболее подходящий. Я надеюсь, что это нормально.

Я собираюсь дать вам интуитивный ответ. Имейте в виду, что это не «реальный» ответ, так как излучение Хокинга немного более сложно, чем типичное объяснение в поп-науке с виртуальными частицами. Но некоторое интуитивное оправдание все же возможно.

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

Вы упускаете ключевой момент здесь.

Когда пара была создана, это были виртуальные частицы. После того, как одна сторона пары была поглощена черной дырой, а другая сторона была освобождена, выпущенная часть представляет собой реальную частицу. Огромная разница там - виртуальная против реальной.

Виртуальные частицы на самом деле не существуют так же, как вы и я. Кажется, они существуют очень короткое время; чем они более энергичны, тем короче интервал их виртуального «существования», согласно уравнению Гейзенберга. Во многих отношениях они просто математический трюк.

Подумайте о вакууме, где нет реальных частиц. Раньше это просто вакуум. Прямо сейчас, виртуальная пара мерцает кратко, тогда это ушло. В будущем снова вакуум.

Какая энергия была раньше? Нуль. Какова энергия в будущем? Нуль. Какая энергия во время мерцания? Ну, это в основном ноль, в пределах, разрешенных уравнениями Гейзенберга. Суть в том, что виртуальные частицы приходят и уходят, и они не способствуют энергетическому балансу некоторого пустого куска пространства.

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

Но скажем, одна из виртуальных частиц попадает в ловушку черной дыры, поэтому она не может уничтожить своего аналога. Другая частица улетает в противоположном направлении и улетает из черной дыры. Что еще хуже, теперь это реальная частица - мы превысили длительность, разрешенную уравнениями Гейзенберга, поэтому та, которая уходит, больше не является виртуальной.

Как эта частица стала реальной?

Это большая проблема, потому что виртуальные частицы не требуют энергетического бюджета для кратковременного существования, в то время как реальные частицы несут энергию навсегда. Что-то помешало виртуальной паре уничтожить себя и повысило статус одного из компонентов до реальной частицы. Виртуальная пара имеет нулевую энергию. Реальная частица, которая уходит, имеет ненулевую энергию. Эта энергия должна прийти откуда-то.

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

Это интуитивное объяснение не говорит о том, как на самом деле происходит повышение. Я не знаю, магия. Каким-то образом одна из виртуальных частиц получает кусок энергии из черной дыры и становится реальной.

Опять же, это не фактический процесс. Фактический процесс является более сложным . Это просто поп-фантастическая сказка.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Чтобы ударить ближе к дому, излучение Хокинга больше похоже на близкий по сравнению с эффектом Унру . Скажем, инерционный наблюдатель видит здесь пустое пространство в этом куске объема. Наблюдающий за ускорением наблюдатель не будет видеть пустое пространство в том же объеме, но вместо этого будет видеть излучение черного тела. Это эффект Унру.

Ну, гравитация и ускорение - это одно и то же для общей теории относительности. Таким образом, сильная гравитация возле черной дыры эквивалентна сильному ускорению. Там должно произойти нечто похожее на эффект Унру. Это излучение Хокинга.

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

РЕДАКТИРОВАТЬ 2: другие ответы в настоящее время на этой странице предоставляют полезные альтернативные моменты, так что проверьте их тоже.

Эти лекционные заметки в некоторой степени затрагивают эти вопросы, особенно на слайдах 33-35.

Поскольку в сильно искривленном пространстве-времени вблизи 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 вырвалась! - но их масса очень странно распределена в пространстве-времени. (Квантово-механически говоря, частицы имеют ненулевой объем; это аспект дуальности волны-частицы.)

Материя с отрицательной плотностью энергии обычно называется экзотической материей.

и чуть позже:

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

Однако в искривленном пространстве-времени флуктуации вакуума в целом экзотичны: их суммарная плотность энергии отрицательна, по словам удаленного наблюдателя, измеряющего плотность энергии путем наблюдения отклонения света ансамблем флуктуаций. Чем сильнее кривизна, тем негативнее выглядит плотность энергии.

Это лучшее объяснение, которое я видел до сих пор.

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

Горизонт черной дыры мешает рекомбинации некоторых виртуальных пар, поэтому произойдут эти преобразования виртуальный - реальный.

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

Я не знаю, согласятся ли эксперты с этим описанием, но вот как я его понимаю:

И пространство, и горизонт событий находятся в постоянном квантовом колебании. По сути, горизонт событий имеет крошечные рябь. В точках, где горизонт событий колышется (выше среднего радиуса чёрной дыры), он имеет локальное количество энергии выше среднего. Интенсивная гравитация быстро оттягивает этот локальный удар вниз, падающий удар направляет эту локальную концентрацию энергии обратно через остальную часть горизонта событий.

Теперь давайте рассмотрим возможные виртуальные пары частиц вблизи отверстия. Если неподвижная пара виртуальных частиц появляется чуть выше горизонта событий, она либо рекомбинирует и исчезает, либо все это вещество втягивается в дыру и исчезает в нуле. Нам нужна виртуальная пара частиц, которая имеет видимое движение от черной дыры почти со скоростью света. Если эта виртуальная пара частиц движется достаточно быстро, чтобы полностью убежать, они рекомбинируют и исчезают. Ноль чистый эффект. Нам нужна виртуальная пара частиц, которая движется от черной дыры почти со скоростью света, и нам нужна рябь на горизонте, которая ловит только одну виртуальную частицу. Я полагаю, что пульсация должна быть в экстремальном ускорении вниз, чтобы она отрывалась от второй виртуальной частицы, чтобы избежать захвата обоих. И вот ключевая часть: Энергетический долг между парой частиц сильно притягивает их друг к другу. Захваченная частица тянется вверх, эффективно вытягивая ее на горизонте, который ее уловил. Это замедляет падение пульсации горизонта, уменьшая энергию, которую падающая пульсация возвращает остальной части черной дыры.

Энергия, необходимая для разделения двух виртуальных частиц, равна объединенной энергии двух не виртуальных частиц. Таким образом, падающая рябь теряет энергию, равную двум частицам, а дырка поглощает одну частицу. Все уравновешивается одной сбежавшей частицей.

Я полагаю, что это работает одинаково, независимо от того, являются ли виртуальные частицы фотонами или парой вещество-антивещество.

Вот аналогия с квантовой механикой. Частица в КМ может туннелировать через невозможный барьер, и именно поэтому элементы, более тяжелые, чем свинец, могут иметь некоторые свои нейтроны, «туннелирующие» из ядра, избегая связей Сильной Силы.

Маленькая Чёрная Дыра похожа на квантовый барьер, через который частица может пройти через туннель, чтобы спастись. Чем меньше барьер (горизонт событий), тем больше вероятность того, что он сможет туннелировать. Таким образом, микро черная дыра с массой 228 тонн и горизонтом событий 3.4 x 10 ^ -7 фемтометров (буквально меньше, чем 1 миллионная часть протона) не будет удерживать свои частицы очень долго и вообще. Фактически он взорвется взрывом Хокинга ровно через 1 секунду .

Большая черная дыра массы Земли с радиусом всего сантиметра прослужит гораздо дольше: 8 x 10 ^ 50 лет, потому что для частицы гораздо меньше шансов пройти через целый сантиметр, чтобы добраться до свободы.

Источник: Квантовое туннелирование из 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