الفلك

كيف يقلل إشعاع هوكينغ من كتلة الثقوب السوداء؟

كيف يقلل إشعاع هوكينغ من كتلة الثقوب السوداء؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

مما أفهمه حتى الآن ، عندما يعبر أحد الجسيمات الافتراضية أفق الحدث والآخر لا يعبر ، لا يستطيعان القضاء على بعضهما البعض. يتجول الأخير في الكون (راجع للشغل ، هل لا يزال افتراضيًا في هذه المرحلة ، وماذا يعني `` الظاهري '' في هذه المرحلة ، إذا كان الأمر كذلك؟) ، بينما يستهلك الثقب الأسود الآخر. لا أرى كيف يساهم هذا الحدث في تبخر الثقب الأسود (لأن الجسيمات لا تنشأ من الثقب الأسود). ألا ينبغي أن يضيف الجسيم المستهلك فعليًا إلى كتلة الثقب الأسود؟

أقرب سؤال لي هو هل إشعاع هوكينغ يجلب الكتلة إلى الكون في الواقع؟ لكني لا أجد الإجابات مرضية.

بمعنى آخر. "يتم تعزيز" الجسيم الافتراضي الهارب "بواسطة مجال جاذبية الثقب الأسود ليصبح جسيمًا حقيقيًا" ، بل يضيف إلى السؤال ثم يجيب عليه.

تحرير: أشعر بالتواضع من المعرفة المقدمة في الإجابات وأشعر بعدم الكفاءة لتمييز أي منها على أنه الأنسب. آمل أن يكون هذا على ما يرام.


سأعطيك إجابة بديهية. ضع في اعتبارك أن هذه ليست الإجابة "الفعلية" ، لأن إشعاع هوكينغ أكثر تعقيدًا قليلاً من تفسير pop-sci النموذجي مع الجسيمات الافتراضية. لكن بعض التبرير البديهي ممكن مع ذلك.

لا أرى كيف يساهم هذا الحدث في تبخر الثقب الأسود (لأن الجسيمات لا تنشأ من الثقب الأسود).

أنت تفتقد إلى نقطة رئيسية هنا.

عندما تم إنشاء الزوج ، كانت تلك جسيمات افتراضية. بعد أن يمتص الثقب الأسود جانبًا واحدًا من الزوج ، وتحرر الجانب الآخر ، يكون الجزء المحرر جسيمًا حقيقيًا. هناك فرق كبير - الظاهري مقابل الحقيقي.

لا توجد الجسيمات الافتراضية حقًا بالطريقة نفسها التي توجد بها أنا وأنت. يبدو أنهم موجودون لفترة قصيرة جدًا ؛ فكلما زاد نشاطهم ، كلما كانت الفترة الزمنية لوجودهم الافتراضي أقصر ، وفقًا لمعادلة هايزنبرغ. من نواح كثيرة ، هم مجرد خدعة رياضية.

فكر في الفراغ ، حيث لا توجد جزيئات حقيقية. من قبل ، كان مجرد فراغ. في الوقت الحالي ، يومض زوج افتراضي لفترة وجيزة ، ثم ذهب. في المستقبل ، إنه فراغ مرة أخرى.

ماذا كانت الطاقة من قبل؟ صفر. ما هي الطاقة في المستقبل؟ صفر. ما هي الطاقة أثناء الوميض؟ حسنًا ، هو في الأساس صفر ، ضمن الحدود التي تسمح بها معادلات هايزنبرغ. خلاصة القول هي أن الجسيمات الافتراضية تأتي وتذهب ، ولا تساهم في توازن الطاقة لجزء فارغ من الفضاء.

(إنني أتجاهل هنا مفهوم طاقة الفراغ ، من أجل تفسير بديهي.)

لكن لنفترض أن أحد الجسيمات الافتراضية قد حوصر بواسطة الثقب الأسود ، لذلك لا يمكن أن يقضي مع نظيره. الجسيم الآخر يطير في الاتجاه المعاكس ويهرب من الثقب الأسود. ما هو أسوأ ، هذا الآن جسيم حقيقي - لقد تجاوزنا المدة التي تسمح بها معادلات هايزنبرغ ، لذا فإن الجسيم الذي ينجو لم يعد افتراضيًا بعد الآن.

كيف أصبح هذا الجسيم حقيقيًا؟

هذه مشكلة كبيرة ، لأن الجسيمات الافتراضية لا تتطلب ميزانية طاقة لتوجد لفترة وجيزة ، بينما الجسيمات الحقيقية تحمل الطاقة إلى الأبد. شيء ما منع الزوج الافتراضي من تدمير نفسه ، ودفع أحد المكونات إلى حالة الجسيم الحقيقي. الزوج الافتراضي ليس لديه طاقة. الجسيم الحقيقي الذي يبتعد له طاقة غير صفرية. يجب أن تأتي هذه الطاقة من مكان ما.

إنها تأتي من الثقب الأسود. يتخلى الثقب الأسود عن بعض من كتلته / طاقته (نفس الشيء) لتعزيز جسيم واحد من جسيم افتراضي إلى حقيقي. يتم التقاط الجسيم الآخر - لكن كونه افتراضيًا على أي حال ، لا يهم حقًا.

ما لا يقوله هذا التفسير البديهي هو كيف يحدث التعزيز بالفعل. أنا لا أعرف ، السحر. بطريقة ما ، يحصل أحد الجسيمات الافتراضية على جزء كبير من الطاقة من الثقب الأسود ويصبح حقيقيًا.

مرة أخرى ، هذه ليست العملية الفعلية. العملية الفعلية أكثر تعقيدًا. هذه مجرد قصة خيالية من قصص البوب.


تحرير: للإصابة بالقرب من المنزل ، فإن إشعاع هوكينغ يشبه إلى حد بعيد تأثير Unruh. لنفترض أن مراقبًا بالقصور الذاتي يرى مساحة فارغة هنا في هذا الجزء من الحجم. لن يرى المراقب المتسارع مساحة فارغة في نفس الحجم ، ولكن بدلاً من ذلك سيرى إشعاع الجسم الأسود. هذا هو تأثير Unruh.

حسنًا ، الجاذبية والتسارع هما نفس الشيء بالنسبة إلى النسبية العامة. لذا فإن الجاذبية القوية بالقرب من الثقب الأسود تعادل تسارعًا قويًا. يجب أن يحدث شيء مشابه لتأثير Unruh هناك. هذا هو إشعاع هوكينغ.

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

EDIT2: توفر الإجابات الأخرى الموجودة حاليًا على هذه الصفحة نقاطًا بديلة مفيدة ، لذا تحقق منها أيضًا.


يسمح لك مبدأ Heisenberg بانتهاك قوانين الحفاظ على الطاقة مؤقتًا (مثل إنشاء أزواج من الجسيمات من لا شيء) طالما أنك تسدد كل شيء في الوقت المناسب. كلما زاد حجم زوج الجسيم والجسيم المضاد ، زادت سرعة سداده. يمكن اعتبار تحويل زوج افتراضي إلى زوج حقيقي على أنه يولد القليل من الطاقة السلبية "مادة غريبة" (أيًا كان ذلك) لتمثيل الدين غير المسدد. طاقتها تساوي حجم الزوج مع الإشارة المعاكسة. ثم يسقط هذا في الثقب الأسود مع أحد الجسيمات ، مما يقلل من كتلة الثقب الأسود بشكل عام.

يعيق أفق الثقب الأسود إعادة توحيد بعض الأزواج الافتراضية ، لذا ستحدث هذه التحويلات الافتراضية-> الحقيقية.

لقد وجدت هذه المحاضرة بنفس الفكرة (أكثر تفصيلاً وأقل ذبحًا): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf


تتناول ملاحظات المحاضرة هذه المشكلات إلى حد ما ، خاصة في الشرائح 33-35.

لأنه في الزمكان الملتوي بشدة بالقرب من الأفق ، تتحول الجسيمات الافتراضية المصنوعة من تقلبات الفراغ إلى كثافة طاقة سالبة.

كثافة الطاقة = الطاقة لكل وحدة حجم.

هذه الجسيمات لها بالفعل كتلة موجبة - انظر إلى تلك التي هربت! - لكن كتلتها تتوزع بشكل غريب جدًا على الزمكان. (من الناحية الميكانيكية ، تمتلك الجسيمات حجمًا غير صفري ؛ هذا جانب من ازدواجية الموجة والجسيم.)

تسمى المادة ذات كثافة الطاقة السلبية بشكل عام مادة غريبة

وبعد ذلك بقليل:

تقلبات الفراغ الميكانيكية الكمية في الزمكان المسطح - بعيدًا عن أي مجال جاذبية قوي - دائمًا ما يكون صافي كثافة الطاقة ؛ لا يمكن أبدًا أن تكون غريبة.

ومع ذلك ، في الزمكان المشوه ، تكون تقلبات الفراغ غريبة بشكل عام: تكون كثافة طاقتها الصافية سالبة ، وفقًا لمراقب بعيد يقيس كثافة الطاقة بملاحظة انحراف الضوء بواسطة مجموعة التقلبات. كلما كان الانحناء أقوى ، تبدو كثافة الطاقة أكثر سلبية.

هذا هو أفضل تفسير رأيته حتى الآن.


لا أعرف ما إذا كان الخبراء سيوافقون على هذا الوصف ، ولكن إليك كيف أفهمه:

كل من الفضاء وأفق الحدث في تقلب كمي ثابت. في الأساس ، أفق الحدث له تموجات صغيرة. في النقاط التي يتدفق فيها أفق الحدث لأعلى (فوق متوسط ​​نصف قطر الثقب الأسود) ، يكون له مقدار أعلى من المتوسط ​​من الطاقة المحلية. تسحب الجاذبية الشديدة ذلك النتوء المحلي بسرعة إلى أسفل ، ويرسل النتوء الساقط تركيز الطاقة المحلي مرة أخرى عبر بقية أفق الحدث.

الآن دعونا نفكر في أزواج الجسيمات الافتراضية المحتملة بالقرب من الحفرة. إذا ظهر زوج جسيم افتراضي ثابت فوق أفق الحدث مباشرة ، فإنه إما سوف يتحد ويختفي أو يتم سحب الشيء بأكمله في الحفرة ويختفي في الصفر. نحتاج إلى زوج جسيم افتراضي له حركة ظاهرة بعيدًا عن الثقب الأسود ، بسرعة تقارب سرعة الضوء. إذا كان هذا الزوج الجسيمي الافتراضي يسير بسرعة كافية للهروب تمامًا ، فإنهما يتحدان ويختفيان. تأثير صافي الصفر. نحتاج إلى زوج جسيم افتراضي يتحرك بعيدًا عن الثقب الأسود بسرعة الضوء تقريبًا ، ونحتاج إلى تموج في الأفق يمسك بجسيم افتراضي واحد فقط. أعتقد أن التموج يجب أن يكون تحت تسارع شديد للأسفل حتى ينسحب بعيدًا عن الجسيم الافتراضي الثاني ، لتجنب اصطياد كليهما. وإليك الجزء الرئيسي: ديون الطاقة بين زوج الجسيمات تسحبها بشدة تجاه بعضها البعض. يُسحب الجسيم المحاصر لأعلى ، ويسحب بشكل فعال للأعلى في الأفق الذي حاصره. يؤدي هذا إلى إبطاء سقوط تموج الأفق ، مما يقلل من الطاقة التي يعود بها التموج المتساقط إلى بقية الثقب الأسود.

الطاقة المطلوبة لفصل الجسيمين الافتراضيين عن بعضهما تعادل الطاقة المجمعة للجسيمين غير الافتراضيين. لذا فإن التموج المتساقط يفقد طاقة تساوي جسيمين ، ويأكل الثقب جسيمًا واحدًا. كل شيء يتوازن مع الجسيم المنفلت.

أعتقد أنه يعمل بالطريقة نفسها ، بغض النظر عما إذا كانت الجسيمات الافتراضية عبارة عن فوتونات أو زوج من المادة والمادة المضادة.


هنا تشبيه لميكانيكا الكم. يمكن لجسيم في QM أن يخترق نفقًا عبر حاجز مستحيل ، وهو كيف يمكن للعناصر الأثقل من الرصاص أن "تنفق" بعض النيوترونات الخاصة بها خارج النواة لتهرب من روابط القوة القوية.

يشبه الثقب الأسود الصغير حاجزًا كميًا يمكن للجسيم أن يمر عبره نفقًا للهروب. كلما كان الحاجز أصغر (أفق الحدث) ، زادت احتمالية قدرته على الخروج من النفق. إذن ، ثقب أسود صغير كتلته 228 طن وأفق الحدث 3.4 × 10 ^ -7 فيمتومتر (حرفيا أقل من 1 مليون من حجم البروتون) لن يتمسك بجزيئاته لفترة طويلة وعلى الإطلاق. في الواقع ، سوف ينفجر في موجة من إشعاع هوكينغ بعد ذلك بالضبط 1 ثانية.

وأكبر كتلة الأرض ثقب أسود بنصف قطر الكل سنتيمتر، سوف تستمر لفترة أطول: 8 × 10 ^ 50 سنة لأنه من غير المحتمل أن يمر الجسيم عبر نفق بطول سنتيمتر كامل ليحصل على الحرية.


المصدر: النفق الكمي من الثقوب السوداء ثلاثية الأبعاد: https://arxiv.org/abs/1306.6380

المصدر: نموذج إشعاع هوكينغ كتأثير كمي: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817


الثقوب السوداء وإشعاع هوكينغ

في موقف شديد التبسيط حيث يكون لديك فقط الثقب الأسود وإشعاع الخلفية الكونية الميكروويف ، يمكنك حساب الكتلة التي يحتاجها الثقب الأسود الساكن ، ليكون في حالة توازن مع إشعاع CMB الذي كان يسقط في BH و إشعاع هوكينغ كان يطلق من BH. باستخدام المعادلة التالية-

مع مجموعة T عند 2.76 كلفن ، تحصل على كتلة حوالي 4.446e + 22 كجم (القمر 7.35e + 22 و Europa 4.8e + 22 kg) ونصف قطر Schwarzschild يبلغ 6.602e-05 m.

في الواقع ، يجب أن تأخذ في الاعتبار ضوء النجوم البعيدة أيضًا (والذي من شأنه أن يصطدم بـ T من 2.76 كلفن) ، أي حطام عشوائي قد يقع في BH (الهيدروجين ، مادة أخرى بين النجوم) ، ناهيك عن الاحتمال لقرص تراكمي من شأنه أن يضيف كتلة ببطء إلى BH. تلعب الطاقة المظلمة والمادة المظلمة دورًا أيضًا. من الجدير بالذكر أيضًا أن الدوران والشحنة يقللان من أي ناتج HR قد يكون للثقب الأسود (انظر الجزء السفلي من ما هو إشعاع هوكينغ).


الكتلة السالبة وإشعاع هوكينغ

المادة ذات الكتلة السالبة ، والتي تسمى هنا "المادة السالبة" ، تختلف عن المادة المضادة.
م. اقترح ديراك ، على أسس نظرية ، وجود المادة المضادة ، ووجودها
تم تأكيد وجودها لاحقًا عن طريق التجربة. المادة المضادة هي عكس العادي
مهم من بعض النواحي ، ولكن كما هو الحال بالنسبة للمادة العادية ، لها كتلة موجبة ، وكذلك من خلال E
= mc 2 لديها طاقة موجبة (طاقة حركية + طاقة مكافئة لكتلة الراحة - جهد
الطاقة ، على ما أعتقد ، ليست مدرجة في E = mc 2). جسيم من المادة المضادة ، مثل البوزيترون ،
مع الكتلة m ، يمكن أن تفعل ما يسمى "إبادة" نظيرتها من المادة العادية ، في هذا
حالة الإلكترون ، والتي لها أيضًا كتلة م ، ولكن نتيجة الجمع بينهما هي
لا يتم تدمير كلا الجسيمين دون ترك أي بقايا ، بل يتم إنتاج فوتونين بواسطة
مثل هذه التركيبة ، كل منها في وسط إطار الكتلة لديها طاقة تبلغ mc 2 ، لذلك
الطاقة الإجمالية للمجموعة في هذا الإطار هي 2mc 2. من ناحية أخرى ، سلبية
المادة ، التي رأيت وجودها منذ وقت ليس ببعيد يتم استدعاؤه في تفسير ، يتضمن ظاهريًا
الجسيمات (التي ينكر بعض الناس وجودها) ، من إشعاع هوكينغ من الثقوب السوداء ، لديها
الكتلة السالبة ، وبالتالي الطاقة السالبة ، مزيج جسيم كتلته م مع جسيمها
المادة السالبة المناظرة للكتلة -m لها كتلة مساوية لمجموع الكتلتين ،
هذا هو 0 ، لذا فإن التركيبة لا شيء ، مع صفر طاقة. هذا ستيفن هوكينج
يقصد هذا المعنى من خلال استخدامه "للجسيم مع كتلة سالبة" ويظهر من قبله
البيانات الواردة في القسمين 1 و 4 من ورقته البحثية لعام 1975
https://scholar.google.com/scholar؟hl=ar&as_sdt=0،15&q=particle+creation+by+black+holes&oq=Particle+Creation
(في الواقع ، في هذه الورقة ، استخدم هوكينغ فقط "جسيم ذو طاقة سالبة" ، ولكنه جسيم
P لها طاقة سالبة تعادل P لها كتلة سالبة ، بواسطة E = mc 2 ، أي
من شبه المؤكد أن هوكينج سيفكر في الاحتفاظ بها في جميع المواقف. ايضا في
القسم 1 من ورقته ، يعزو هوكينج الانخفاض في الكتلة ومساحة السطح
الثقب الأسود لتدفق الطاقة السلبية إليه ، وفي القسم الأخير من ورقته ،
القسم 4 ، يصف هوكينج الحالة النهائية للثقب الأسود ، والتي فيها الثقب الأسود
لديه طاقة إجمالية صغيرة جدًا نتيجة التدفق السابق إلى الثقب الأسود
جسيمات الطاقة السالبة ، باعتبارها واحدة من الجسيمات التي يمتلكها الثقب الأسود أيضًا
الكتلة الكلية الصغيرة.)

لقد رأيت تفسيرات لإشعاع هوكينغ الذي قال إنه ينتج عندما
تظهر أزواج الجسيمات / الجسيمات المضادة إلى الوجود بالقرب من ثقب أسود ، وسقوط الجسيم المضاد
في الحفرة وتسبب في انخفاض كتلتها وهروب الجسيمات العادية ، مع
إشعاع هوكينج يتكون من مثل هذه الجسيمات الهاربة. تساءلت كيف
يمكن أن تتسبب الجسيمات المضادة التي تسقط في الثقب الأسود في تقليل كتلته ، وليس
زيادة. ومع ذلك ، وجدت تفسيرات أخرى لإشعاع هوكينغ تقول ذلك
أزواج الجسيمات / المادة السالبة والجسيمات ، وليس أزواج الجسيمات / الجسيمات المضادة ، التي كانت متورطة في
إشعاع هوكينغ ، ولذا حصلت على نسخة من ورقة هوكينغ المذكورة أعلاه للتحقق منها
هذا ، ووجد أن هوكينج قال في القسم 1 من الورقة أن طريقة لتصوير ملف
خلق الإشعاع من الثقب الأسود وتناقص كتلة الثقب و
كان الانخفاض الناتج في مساحة أفق الحدث الخاص بها خارج أفق الحدث مباشرة
سيكون هناك أزواج افتراضية من الجسيمات ، أحدهما به طاقة سالبة والآخر ذو طاقة موجبة
الطاقة ، ويمكن أن يسقط الشخص ذو الطاقة السلبية في الثقب الأسود ، وبالتالي يتقلص
كتلته ، بينما يهرب الجسم ذو الطاقة الإيجابية إلى ما لا نهاية ، مع الموجب
كتلة الطاقة M لإشعاع هوكينج ، والتي تتكون من تلك الطاقة الإيجابية
الجسيمات التي تهرب إلى اللانهاية ، مساوية سالب كتلة الطاقة M '(M = -M')
من المادة السلبية التي سقطت في الثقب الأسود وقللت كتلته من الطاقة بمقدار M ، لذلك
لا يوجد تغيير صاف في إجمالي كتلة الطاقة للكون. (حذر هوكينغ
ألا يأخذ تفسيره من حيث الجسيمات الافتراضية حرفيًا جدًا ، قائلاً إن الحقيقة
كان التفسير هو الرياضيات التي كانت في الأقسام التالية من ورقته.)

لتوضيح ما أعنيه بـ "الكتلة السالبة": بالنسبة لجسيم P كتلته m ، يُفترض أن
طاعة نيوتن f = ma (ربما يكون "f = ma" مجرد تعريف لـ "f" من حيث m و
أ - ما إذا كان الأمر كذلك فهو سؤال مثير للجدل في فلسفة العلوم - لا أعتقد
أنه تعريف ، بل هو قانون تجريبي) ، m & lt 0 ، أي ، P مادة سلبية ، إذا
وفقط إذا كان a متجهًا في الاتجاه المعاكس لـ f ، بدلاً من الاتجاه نفسه
مع المادة العادية. لتمكين استخدام هذه العلاقة لتحديد ما إذا كانت m أم لا
سلبي ، من الضروري أن يكون لديك طريقة لتحديد اتجاه f على P الذي لا يفعل ذلك
تعتمد على افتراض حول ما إذا كانت m موجبة. يمكن القيام بذلك من أجل
القوة الكهروستاتيكية على جسيم مشحون P عن طريق قياس قوة الكهرباء
يكون مجال P على جسيم موجب الشحنة p من مادة عادية ، عن طريق قياس p's
التسارع (عندما يتم عزل نظام P و p عن أي شيء آخر - باستثناء
جهاز قياس التسارع ، من المفترض ألا يؤثر بشكل كبير على P أو p - و
القوى على P و p غير الكهرومغناطيسية غير مهمة). إذا كانت القوة على p هي
بعيدًا عن P ، كما هو محدد من خلال وجود عجلة p بعيدة عن P ، تكون الشحنة على P هي
موجب ، لذا فإن f على P بعيدة عن p ، كما هو مطلوب بموجب قانون كولوم ونيوتن
القانون الثالث ، قانون الفعل والتفاعل ، مع f = d (mv) / dt ، لذلك إذا كان التسارع a لـ P هو
باتجاه p ، m لـ P سالبة ، وإلا فإن m تكون موجبة عكس ذلك إذا كانت القوة على p
هو تجاه P. سلوك المادة ذات الكتلة السالبة ، بالمعنى المحدد هنا ، هو
غريب جدًا - على سبيل المثال ، إذا كان يرضي الحفاظ على الزخم ، كما هو مطلوب أعلاه ،
يمكن أن تظهر ، بالاقتران مع المادة العادية ، نوعًا معينًا من السلوك الجامح. إذا
كتلة P هي بالضبط سالب كتلة p ، وكلاهما له شحنة متساوية ، مع
تكون P ثابتة في البداية فيما يتعلق بـ p ، وسوف تتسارع P نحو p مع نفس الشيء
العجلة التي تتسارع p بعيدًا عن P ، وسيستمر هذا إلى الأبد ، مع كل من P
و p تقترب من سرعة الضوء ج بشكل مقارب مع مرور الوقت. ومع ذلك ، فإن كلا من
لن يتغير الزخم وطاقة النظام المكون من P و p ، منذ ذلك الحين
أي تغيير في زخم أو طاقة P يقابله تغيير معاكس في p.
ربما يقصد هوكينج "جسيم ذو طاقة سالبة" شيئًا مختلفًا
مما يقوله هذا التعريف ، لكنني لا أعرف ، إذا كان يقصد شيئًا مختلفًا ،
ماذا سيكون ذلك.

لقد رأيت على PF تفسيرات أو تعليقات حول إشعاع هوكينغ الذي تضمنه
أزواج الجسيمات / الجسيمات المضادة. إشارة واحدة إلى هذه الأزواج فيما يتعلق بهذا الإشعاع ،
التي لا يمكنني تحديد موقعها الآن والتي كانت في تعليق على سلسلة رسائل لا أستطيع تحديد عنوانها
تذكر ، كان من قبل ، على ما أعتقد ، بيتر دونيس. ربما صنع معظم الناس على PF
مثل هذه التفسيرات أو التعليقات تعني حقًا "جسيم المادة السلبية" بدلاً من
"الجسيم المضاد" حيث كتبوا الأخير ، وهم واضحون في الاختلاف. أنا لست واضحا،
ومع ذلك ، في عدة نقاط:

(1) هل جسيمات المادة السلبية ، في حالة عدم وجود قوى أخرى غير الجاذبية ، اتبع
الجيوديسيا الشبيهة بالزمان أو الفارغة في الزمكان ، كما تفعل جسيمات المادة العادية والمادة المضادة؟
يبدو أنهم لا يفعلون ذلك ، من خلال تعريف "الكتلة السالبة" الوارد أعلاه ، إذا
الجاذبية هي القوة التي يستجيبون لها بطريقة معطاة من قبل f = ma ، وبالتالي تسارعهم الناتج
بعيدًا عن جسم الجاذبية (في الاتجاه المعاكس لحقل الجاذبية) ، و
أيضًا إذا كان قانون نيوتن للفعل ورد الفعل ، فُسِّر على أنه يشير إلى القوى ، وليس التسارع ،
يحمل. أيضًا ، ما هو سلوك الجاذبية النشط للمادة السلبية ، أي تأثيرها على
متري الزمكان؟ هل التوزيع السالب للمادة - ρ (x، y، z) على مساحة تشبه الفراغ
السطح ، يكون لها تأثير على المقياس هو نفسه الذي يمكن أن يكون لـ
توزيع المادة العادية ρ (x، y، z)؟ ورقة هوكينج ، في القسم 4 ، ربما تأخذ في الاعتبار
بعض جوانب هذا السؤال لحالة الثقب الأسود ، ويجيب عليه في
سلبي ، لكنني لست متأكدًا من ذلك. الجواب العام لما تأثير
المادة السلبية في المقياس ، لجميع المواقف ، قد تكون غير معروفة في الوقت الحالي.

(2) لماذا يكون لجسيمات المادة السالبة احتمالية أكبر للسقوط في الأسود
ثقب مما تفعله جسيمات المادة العادية؟ أعطى هوكينج في ورقته ، في القسم 1 ، ماذا
اعتبرت الإجابة بالكلمات ، إجابة غير رياضية ، على هذا السؤال ، لكنني لم أفعل
أفهمها ، وأنا لا أعرف ما يكفي من نظرية المجال الكمومي النسبي لفهمه
التحليل الرياضي النظري للمجال في أقسام لاحقة ، والذي يفترض أن يجيب أيضًا
هذا السؤال.

(3) سؤالي الرئيسي حول هذا الموضوع هو: ما الذي قاد الفيزياء (أو على الأقل بعض علماء الفيزياء)
لقبول وجود المادة السلبية ومتى حدث ذلك؟ هوكينج ، في كتابه
الورق ، بدأ الحديث عن الجسيمات ذات الطاقة السلبية دون إبداء أي سبب
لاعتقادهم بوجود مثل هذه الأشياء ، بخلاف ما ورد في تفسيره لها
إشعاع الجسيمات من الثقوب السوداء (بالطبع ، لم يسميها "إشعاع هوكينغ") ، كما لو
لقد كانوا بالفعل جزءًا مقبولًا من الفيزياء. إشعاع هوكينغ لم (ولم يفعل)
لوحظ ، لذلك مثل هذه الملاحظات ، مما أدى إلى الاعتقاد في وجود هوكينغ
الإشعاع ، لا يمكن (ولا يمكن) أن يكون سببًا لقبول وجود المادة السلبية ،
يجب أن يكون العكس ، وجود المادة السلبية على الأقل جزء من
سبب قبول وجود إشعاع هوكينغ. لم يمض وقت طويل قبل عام 1975 ، عندما
تم نشر ورقة هوكينج ، وحصلت على بعض الدورات الجامعية في الفيزياء ، وأثناء ذلك
ربما تم ذكر المادة المضادة فيها ، ولم يتم ذكر المادة السلبية.

هل لدى أي شخص في PF إجابة على (3) ، (2) ، (1) ، أو سؤال ما هوكينج ، و
الفيزياء الحديثة بشكل عام تعني "الكتلة السالبة"؟


الإجابات والردود

النموذج الذي تستخدمه خاطئ ، كما هو مذكور أعلاه. تبقى الرياضيات الفعلية خارج حدودي ، لذلك لا يمكنني تقديم تفسير أفضل حقًا ، على الرغم من أن الآخرين هنا قد يفعلون ذلك. لكن إشعاع هوكينغ يؤدي دائمًا إلى انخفاض في كتلة الثقب الأسود ، نظرًا لأنه ليس حالة & quots في بعض الأحيان يدخل جسيم الطاقة السالبة وأحيانًا لا يحدث & quot.

لاحظ أن إشعاع هوكينغ من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية هو إشعاع جسم أسود أقل من درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية ، لذلك لا تتناقص كتلة الثقوب السوداء النجمية حاليًا ولن تبدأ في فعل ذلك لفترة طويلة جدًا. يجب أن تكون للثقوب السوداء المجهرية درجة حرارة أعلى بكثير وقد تتبخر على فترات زمنية قصيرة.

كان رد فعلي الأولي على إيبيكس غير صحيح ، وإن كان ذلك فيما يتعلق بقضايا الاتصال وليس القضايا الجوهرية. يتم تقديم المعرفة العلمية بشكل أفضل عندما يتم بث النقطة والنقطة المقابلة دون تحيز. لا يمكن للعمل العلمي أن يثبت أن شيئًا ما & quot؛ حق & quot؛ ، فقط أنه يتوافق مع التجريب. نظرًا لأن هذا هو gedankenerfahrung ، فإن الرؤية والمنطق والرياضيات فقط هي التي يمكن أن تقودنا إلى حقيقة الطبيعة.

كانت المشكلة في جوهر الرد الأولي الذي أعقب رسالتي الأولية أنه كان موقفًا حاسمًا بشأن & quot ما هو ليس & quot. لم يتم تناول قضية الجسيمات والجسيمات المضادة التي يتم سحبها إلى الثقب الأسود ، وهذا هو جوهر النقاش. أرحب بالنقطة المقابلة ، لأي شخص مهتم.

في رأيي ، المشكلة في هذا الرسم البياني هي أن يتم عرض الجسيمات المضادة فقط في الثقب الأسود. إذا كان هذا هو الحال ، فمن الطبيعي أن يكون هناك خسارة صافية للكتلة مع خروج الجسيمات بإشعاع هوكينغ. كان يجب أن أدرج هذا الرسم التخطيطي في رسالتي الأولية.

حسنًا - هذا ما أفهمه. لا تقول & quotantiparticles & quot. تقول & quot؛ جزيئات الطاقة النسبية & quot. هذه ليست هي الشيء نفسه. لا شيء له طاقة سلبية في ظل الظروف العادية (وهذا جزء من سبب عدم إمكانية إشعاع جزء الطاقة السالبة). يتضمن ذلك الجسيمات المضادة - ليس لديها طاقة سلبية في ظل الظروف العادية ، ولا تحتوي بالضرورة على طاقة سلبية في نموذج الإنتاج الثنائي الافتراضي.

إلى الحد الذي يرتبط فيه التفسير الذي تستشهد به بأي شكل من الأشكال بالنموذج الفعلي (كما لوحظ ، حتى هوكينغ يعترف بأنه اتصال ضعيف للغاية) ، فإن جسيم الطاقة السالبة يمتصه الثقب الأسود دائمًا ، وهذا أمر ضروري. سيتعين عليك انتظار شخص يفهم الرياضيات ليحاول شرح سبب ذلك. أحذرك من أن الإجابة ربما تكون & quote إما تعلم الرياضيات أو ثق بنا & quot. كما رأيت ، حتى محاولة هوكينج لإجابة غير رياضية (الرسم التخطيطي الذي نقلته) تفتقر بشدة إلى القوة التفسيرية.

أولاً ، لاحظ خطي الذي يتوسطه خط في الاقتباس أعلاه. لا ينبعث إشعاع هوكينغ في أفق الحدث. ينبعث خارجها مباشرة. (على الأقل ، إلى الحد الذي يمكن فيه تحديد مكان الانبعاث على الإطلاق.)

من خلال الخط الذي يتوسطه خط ، فإن الإجابة على السؤال هي نعم: إن إشعاع هوكينغ يقلل بالفعل من كتلة الثقب الأسود. بتعبير أدق ، جميع النماذج الحالية لإشعاع هوكينغ تقوم بهذا التنبؤ: أفترض أنك تدرك أنه لم يلاحظ أحد بالفعل إشعاع هوكينج من ثقب أسود أو قاس أنه يقلل من كتلة الثقب.

مع كل ما قيل ، فإن بقية OP الخاص بك عبارة عن تكهنات غير دقيقة تستند إلى نموذج غير دقيق لكيفية إنتاج إشعاع هوكينغ ونظرية المجال الكمومي بشكل عام. الاستدلال على & quarticle-antiparticle أزواج يتم إنشاؤها وتدميرها باستمرار في كل مكان في الزمكان & quot ، بينما تحظى بشعبية في مناقشات علوم البوب ​​، فهي مضللة وتسبب مشاكل أكثر بكثير مما تحل. هذا ينطبق على محاولة فهم إشعاع هوكينغ مثل أي شيء آخر.

أقترح عليك قراءة المقالات التالية والتفكير فيها بعناية. الأول هو واحد من سلسلة مقالات PF Insights عن & quot؛ جسيمات افتراضية & quot (وهي نسخة أخرى من & quot أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة التي يتم إنشاؤها وتدميرها باستمرار في كل مكان في الزمكان & quot ؛ الكشف عن مجريات الأمور):

والثاني هو مقال الأسئلة الشائعة حول فيزياء Usenet بقلم John Baez (وهو الآن مستشار علمي على PF على الرغم من أنه لا ينشر هنا كثيرًا) والذي يناقش لماذا لا يعتبر زوج & quot Particle-Antiparticle & quot الاستدلال أمرًا جيدًا لفهم إشعاع هوكينج:

. هو أنه مخطط علمي مبني على أساس فهم علمي غير دقيق لكيفية عمل إشعاع هوكينغ. لا يمكنك تعلم العلوم الفعلية من مصادر علوم البوب.

شكرا ، إيبيكس ، على ردك الأخير! هذا شيء يمكنني العمل معه. ومع ذلك ، فكوني بطيئًا ، عادةً ما يستغرق الأمر عدة أسابيع من التأمل جالسًا القرفصاء لفهمها والمضي قدمًا. مع ملامسة الإبهام والسبابة لبعضها البعض ، سيغطي اجتراري على الأقل هذه النقاط:

1. رد بيتر دونيس الذي يتضمن مزيدًا من المناقشة حول & quot؛ الجسيمات & quot؛ مع روابط مفيدة. قد يوضح هذا مفاهيم خاطئة.
2. لماذا تظهر جسيمات الطاقة الإيجابية ، سواء في الرسم البياني أعلاه أو في نصوص المنتديات ذات الصلة ، لتكون في شارع ذي اتجاه واحد بعيدًا عن الثقب الأسود.
3. ما هو الفرق بين الجسيم المضاد وكيان الطاقة السالبة.

مرة أخرى ، شكرا للجميع على المناقشة المحفزة!

النقطة رقم 1 جيدة ، نعم (مع النصيحة الإضافية التي قدمتها في المنشور رقم 13 الآن).

النقطتان # 2 و # 3 ليستا جيدين في مزيد من التفكير على هذا المنوال سيضيع وقتك فقط ، لأن النموذج بأكمله الذي تستند إليه هذه النقاط خاطئ ، كما قلت في المنشور رقم 13.

النقطة رقم 1 جيدة ، نعم (مع النصيحة الإضافية التي قدمتها في المنشور رقم 13 الآن).

النقطتان # 2 و # 3 ليستا جيدين في مزيد من التفكير على هذا المنوال سيضيع وقتك فقط ، لأن النموذج بأكمله الذي تستند إليه هذه النقاط خاطئ ، كما قلت في المنشور رقم 13.

[تحرير: إزالة التعليق غير الصحيح على وظيفة سابقة.]

إذن ، إشعاع هوكينغ مجرد جسيمات ، لا مضاد للجسيمات؟ تحرير: رد على جزء محذوف من تعليق.

تفسير بايز الذي ربطته رائع. يبدو أنه يقول إن المراقب البعيد يرى حالات كبيرة تتوافق مع عدة دول دقيقة لا يمكن تمييزها حتى من حيث المبدأ ، لأن بعض المعلومات الضرورية عبرت الأفق. لذلك فإن الثقب الأسود له إنتروبيا ومن ثم درجة الحرارة ومن ثم يشع. ويمكن إظهار ذلك بدقة باستخدام تحولات بوجوليوبوف ، التي تربط بطريقة ما تحديد اثنين من المراقبين لحالة الفراغ. أظن (؟).

لطالما تساءلت مع هذه التفسيرات لإشعاع هوكينغ ، الطاقة السلبية والإيجابية مرتبطة بماذا أو نوع الطاقة.
يبدو أن التفسيرات التي يتم تقديمها بشكل عام تجعل المرء يستنتج أن هناك شيئًا مثل الطاقة المطلقة.

لأي جسم ضخم وليس ثقبًا أسود
من منظور الجاذبية ، (يجب أن يطبق النيوتوني المحلي) ثم يتكون جسيمان في نفس نصف القطر على مسافة ما ، ويكون لهما نفس الطاقة من هذا النوع.
من ناحية أخرى ، يتكون جسيمان عند أنصاف أقطار مختلفة ، حيث يجب فصلهما بواسطة a Δh ، الجسيم الموجود عند نصف القطر h + Δh ، له طاقة جاذبية أكبر من تلك الموجودة عند h- h. إذا كان لدى h + Δh طاقة حركية كافية للهروب من الجسم الضخم ، فإن h - Δh بالتأكيد لا تمتلكه. إيمانًا بالحفاظ على الكتلة ، والحفاظ على الزخم ، فإن كلا الجسيمين لهما الكتلة نفسها ، والسرعة نفسها في موقع التكوين ، ولكن إذا استخدمنا سم من الجسم الضخم كمرجع ، فإن الجسيمين لا يكونان بنفس السرعة بالنسبة إلى مركز كتلة الجسم الضخم - ومن ثم فإن الجسيم الهارب ، h + hash لديه طاقة أكثر من الجسيم h - Δh. يمتلك كلا الجسيمين طاقة موجبة في إطار مرجعي ما ، ولكن في إطار مرجعي آخر ، يمكن أن يكون لجسيم واحد طاقة موجبة والآخر طاقة سالبة.
من عارض خارج النظام ، لا توجد كتلة إجمالية أو اكتساب للطاقة ، لكن الجسم الضخم فقد الكتلة والطاقة المرتبطة بالجسيم الهارب h + Δh ، أو إذا فضل المرء الاختلاف Δh في نصف قطر التكوين.

تطبيق هذا على تكوين الجسيمات بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود.

لا ، من حيث المبدأ ، يمكن أن ينبعث أي جسيم أو جسيم مضاد كإشعاع هوكينغ. عندما يقترب الثقب الأسود من التبخر النهائي ، مما يعني أن درجة حرارته تصبح عالية جدًا ، فمن المتوقع أن يحتوي إشعاع هوكينغ على أعداد متساوية تقريبًا من الجسيمات المختلفة والجسيمات المضادة.

أرى أنني أخطأت في قراءة رسالتك السابقة في هذه النقطة ، وسأقوم بتحريرها لإزالة التعليق الذي رددت عليه.

أعتقد أن هذه طريقة إرشادية معقولة لوصف ما يجري ، نعم.

في ملاحظة جانبية ، يؤدي وصفك أيضًا إلى إرشاد سريع وجيد لسبب كون مفارقة معلومات الثقب الأسود مشكلة: إذا تبخر الثقب أخيرًا ، فلا يوجد أفق بعد الآن ولا توجد منطقة بداخله بعد الآن ، يتم تخزين جميع المعلومات في تلك الدول الصغيرة التي تقع تحت الأفق يجب أن تعود للخارج ، وإلا فإن الوحدة تنتهك. السؤال هو كيف انه يخرج.

لا يوجد ، تمامًا ، ولكن هناك نوعًا ما. يؤدي تفريغ هذا إلى طريقة إرشادية معقولة واحدة لوصف ما يحدث مع إشعاع هوكينغ (وهي ليست تمامًا مثل تلك التي قدمتهاIbix قبل بضع مشاركات). (لاحظ أن هذا التفريغ ، بقدر ما أستطيع أن أرى ، لا يبرر التكهنات في بقية رسالتك ، يبدو لي أنها تستند إلى نموذج غير صحيح باستخدام أزواج الجسيمات المضادة.)

بالنسبة للحقل الكمومي في زمكان مينكوفسكي المسطح ، أي حالة من هذا المجال هي & quotground state & quot أو & quotvacuum state & quot - حالة أقل طاقة ، والتي بحكم تعريفها لا تحتوي بالضبط على كمية من المجال - هي نفسها لجميع المراقبين بالقصور الذاتي. (إحدى الطرق التي يتم التعبير عنها أحيانًا هي القول بأن حالة الفراغ في مجال كمومي هي حالة لورنتز الثابتة). هو & quabsolute energy & quot للحقل الكمومي ، على الأقل للمراقبين بالقصور الذاتي - حالة الفراغ الثابت في لورنتز التي تحتوي على طاقة صفرية لهؤلاء المراقبين هي بيان مطلق.

ومع ذلك ، من أجل معجل observers, this is not the case: different accelerated observers will not agree on which state of the quantum field is the vacuum state, and will not agree with the inertial observers either. For example, if the quantum field is in the state that is the vacuum state for inertial observers, this state will appear to an accelerated observer as a thermal state with temperature ##T = 1 / a##, where ##a## is the observer's proper acceleration (and I have left out a bunch of physical constants like ##c## and ##hbar## by assuming units where they are equal to 1). Thus, the accelerated observer will observe radiation, which can be viewed as coming from the vicinity of that observer's Rindler horizon. This is called the Unruh effect.

One of the analogies that originally led to the hypothesis of Hawking radiation is the analogy between the Rindler horizon of an accelerated observer and the event horizon of a black hole. To an observer who is "hovering" sufficiently close to a black hole's horizon that the effects of spacetime curvature due to the hole can be ignored locally--and who must be accelerated in order to stay there--the hole's event horizon هو the observer's Rindler horizon (in that local patch of spacetime). So, by analogy with the Unruh effect, an observer "hovering" at a finite altitude above a black hole should observe radiation coming from the vicinity of the hole's horizon, just as the Unruh radiation observed by an accelerated observer in flat spacetime appears to come from the vicinity of that observer's Rindler horizon.

That analogy, by itself, might help to explain why an observer sufficiently close to a black hole's horizon would see radiation coming from the vicinity of the horizon. But it doesn't explain why an observer far away from the hole would see such radiation, or why such radiation would carry away actual energy from the hole and decrease its mass. For those things, we need to take into account the global geometry of the spacetime, i.e., the spacetime curvature due to the hole. That curvature means, roughly speaking, that if the quantum field is in a state which is a vacuum state with respect to radiation flowing into the hole, it will ليس be a vacuum state with respect to radiation flowing out of the hole. (This is related to the description in terms of observers in the far past and observers in the far future in the Baez article "far past" corresponds to "radiation flowing into the hole", since that radiation will have been emitted far away in the far past, and "far future" corresponds to "radiation flowing out of the hole", since that radiation will be received far away in the far future.)

In short, one heuristic way of viewing Hawking radiation is that it is a manifestation of there being different notions of "vacuum state" for different observers in a curved spacetime.


Black hole parameters

Astrophysical black holes are characterized by two parameters: their mass and their angular momentum (or spin). The mass parameter (M) is equivalent to a characteristic length (GM/c^2=1.48,< m km>(M/M_< m o>) ,) or a characteristic timescale (GM/c^3=4.93 imes10^ <-6>,< m sec>(M/M_< m o>) ,) where (M_< m o>) denotes the mass of the Sun. These scales, for example, give the order of magnitude of the radii and periods of near-hole orbits. The timescale also applies to the process in which a developing horizon settles into its asymptotically stationary form. For a stellar mass hole this is of order (10^ <-5>, < m sec> ,) while for a supermassive hole of (10^8M_< m o> ,) it is thousands of seconds.

For Schwarzschild holes, and approximately for Kerr holes, the horizon is at radius (R_H= 2GM/c^2 .) At the horizon, the "acceleration of gravity" has no meaning, since a falling observer cannot stop at the horizon to be weighed. What is relevant at the horizon is the tidal stresses that stretch and distort the falling observer. This tidal stretching is given by the same expression, the gradient of the gravitational acceleration, as in Newtonian theory[2GM/R_H^3=c^6/(4G^2M^2) .] In the case of a solar mass black hole the tidal stress (acceleration per unit length) is enormous at the horizon, on the order of (3 imes10^9(M_< m o>/M)^2mathrm^<-2> :) that is, a person would experience a differential gravitational field of about (10^9) Earth gravities, enough to rip apart ordinary materials. For a supermassive hole, by contrast, the tidal force at the horizon is smaller by a typical factor (10^<10mbox<-->16>) and would be easily survivable. However, at the central singularity, deep inside the event horizon, the tidal stress is infinite.

In addition to its mass (M ,) the Kerr spacetime is described with a spin parameter (a) defined by the dimensionless expression

where (J) is the angular momentum of the hole. For the Sun (based on surface rotation) this number is about 0.2, and is much larger for many stars. Since angular momentum is ubiquitous in astrophysics, and since it is expected to be approximately conserved during collapse and black hole formation, astrophysical holes are expected to have significant values of (a/M ,) from several tenths up to and approaching unity.

The value of (a/M) can be unity (an "extreme" Kerr hole), but it cannot be greater than unity. In the mathematics of general relativity, exceeding this limit replaces the event horizon with an inner boundary on the spacetime where tidal forces become infinite. Because this singularity is "visible" to observers, rather than hidden behind a horizon, as in a black hole, it is called a naked singularity. Toy models and heuristic arguments suggest that as (a/M) approaches unity it becomes more and more difficult to add angular momentum. The conjecture that such mechanisms will always keep (a/M) below unity is called cosmic censorship.

The inclusion of angular momentum changes details of the description of the horizon, so that, for example, the horizon area becomes

This modification of the Schwarzschild ((a=0 )) result is not significant until (a/M) becomes very close to unity. For this reason, good estimates can be made in many astrophysical scenarios with (a ) ignored.


1 Answer 1

Here is the abstract of the original paper by Hawking:

In the classical theory black holes can only absorb and not emit particles. However it is shown that quantum mechanical effects cause black holes to create and emit particles as if they were hot bodies with temperature hκ2/πk≈10^−6(M⊙/M)∘K where κ is the surface gravity of the black hole. This thermal emission leads to a slow decrease in the mass of the black hole and to its eventual disappearance: any primordial black hole of mass less than about 10^15 g would have evaporated by now. Although these quantum effects violate the classical law that the area of the event horizon of a black hole cannot decrease, there remains a Generalized Second Law:S+1/4A never decreases where S is the entropy of matter outside black holes andA is the sum of the surface areas of the event horizons. This shows that gravitational collapse converts the baryons and leptons in the collapsing body into entropy. It is tempting to speculate that this might be the reason why the Universe contains so much entropy per baryon.

Bold mine. It stresses that in classical General Relativity, nothing can escape the black hole horizon.

Why is the particle emitted viewed as the one with positive energy? What if, instead, the one with positive energy is the one trapped causing the black hole to grow and the universe to shrink?

In the popular quantum model of virtual pair loops within the Heisenberg uncertainty, close to the horizon, one has to keep in mind that virtual particles have to interact with something to become real particles which could be absorbed by the black hole. To become real there should be an interaction, and that interaction can only take energy from the black hole. From momentum conservation, if one real created particle has enough energy to leave against the gravitational field, the other will be absorbed because of its direction. The emitted particle in this frame takes away energy from the black hole and adds it to the rest of the universe.

In this link there is the paper itself where the connection with black body radiation is given. And here is another link with theoretical calculations.


Origin Story

Like most stories in modern physics, this one starts with Einstein. Specifically, Hawking studied Einstein’s notion of singularities. General relativity suggests the existence of these singularities — also known as black holes — occur when massive objects, such as stars, collapse under their own weight and curve spacetime so severely that even light can’t escape, according to the BBC.

In 1939, Robert Oppenheimer wrote a paper describing these singularities, but his ideas were disregarded because most physicists found them at odds with classical notions of universal laws. In 1959, Hawking entered the picture, coauthoring a paper with Roger Penrose on the black hole theory that not only bolstered the evidence for singularities but also argued that the much-debated Big Bang theory of the universe was correct: Our universe began as a kind of black hole in reverse, starting from an immeasurably small singularity and exploding outward. The paper gained critical acclaim, lent credence to the Big Bang theory and furthered Hawking’s exploration of the black hole theory, said the BBC.


Ask Ethan: How Do Hawking Radiation And Relativistic Jets Escape From A Black Hole?

Concept art of an accretion ring and jet around a supermassive black hole.

The most important feature of a black hole is that it has an event horizon: a region of space where the gravitational field is so strong that nothing, not even light, can escape from it. How, then, do we explain the matter and radiation that we both see and predict should come from them? That's what Russell Sisson wants to know, as he asks:

Everything you read about a black indicates that "nothing, not even light, can escape them". Then you read that there is Hawking radiation, which "is blackbody radiation that is predicted to be released by black holes". Then there are relativistic jets that "shoot out of black holes at close to the speed of light". Obviously, something does come out of black holes, right?

Matter and radiation can definitely come towards us, originating from the black hole's location. But does that mean something escapes from a black hole? Let's find out!

While distant host galaxies for quasars and active galactic nuclei can often be imaged in . [+] visible/infrared light, the jets themselves and the surrounding emission is best viewed in both the X-ray and the radio, as illustrated here for the galaxy Hercules A. It takes a black hole to power an engine such as this, but that doesn't necessarily mean that this is matter/radiation escaping from inside the event horizon.

NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

When we talk about a black hole, it's important to recognize what we mean. If you put enough mass together in a small enough volume of space, the curvature of spacetime will become so large that a ray of light, no matter what direction it propagates in, will inevitably arrive back at the central singularity. The escape velocity — or the speed at which you'd need to move to overcome the black hole's gravitational pull — is greater than the speed of light. A consequence of this is that there's a critical region, or an event horizon, where once you cross inside of it, you can never get out. Things that are inside the event horizon always hit the singularity things that are outside can either escape or fall in, dependent on their properties.

As viewed with our most powerful telescopes, such as Hubble, advances in camera technology and . [+] imaging techniques have enabled us to better probe and understand the physics and properties of distant quasars, including their central black hole properties.

NASA and J. Bahcall (IAS) (L) NASA, A. Martel (JHU), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team and ESA (R)

There are, though, real particles and radiation, both observed and theorized, that does originate from a black hole. Accretion disks are a spectacular example. Imagine you're a particle outside of a black hole's event horizon, but gravitationally bound to it. The strong gravitational pull will cause you to move in an elliptical orbit, where your fastest speed corresponds to your closest approach to the black hole. So long as you don't cross the event horizon, you shouldn't ever fall in. Occasionally, if there are enough particles in orbit, you'll interact with the other ones, experiencing inelastic collisions and friction. You'll heat up, be compelled to move in a more circular orbit, and eventually emit radiation.

This radiation doesn't come from inside the black hole, but from the matter orbiting outside the event horizon.

An illustration of an active black hole, one that accretes matter and accelerates a portion of it . [+] outwards in two perpendicular jets, may describe the black hole in our galaxy and, in particular, more active ones in many regards.

Sure, some of the matter will eventually lose enough energy that it will cross over to the inside of the event horizon, arriving at the singularity and increasing the mass of the black hole. But there's a lot going on in the vicinity of the black hole. There are charged particles of different signs and magnitudes traveling very rapidly: moving close to the speed of light. Charged objects in motion create magnetic fields, and that causes many of the ionized matter particles to be accelerated in a helix-shape, away from the plane of the accretion disk. These accelerating particles are the origin of relativistic jets, producing showers of particles and radiation when they collide with the material farther away from the black hole.

The galaxy Centaurus A, shown in a composite of visible light, infrared (submillimeter) light and in . [+] the X-ray.

ESO/WFI (Optical) MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre) NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray)

Relativistic jets are a remarkable sight, and in some cases, are so brilliant that they actually appear in visible light. The galaxy Centaurus A has a jet in both directions that becomes large, diffuse and spectacular the galaxy Messier 87 has a single, collimated jet that extends for over 5,000 light years. Both of these are caused by an active, supermassive black hole that's many times larger than even the four-million-solar-mass monstrosity at the center of the Milky Way.

The second-largest black hole as seen from Earth, the one at the center of the galaxy M87, is around . [+] 1000 times larger than the Milky Way's black hole, but is over 2000 times farther away. The relativistic jet emanating from its central core is one of the largest, most collimated ones ever observed.

For accretion disks and relativistic jets, these are phenomena that are observable around black holes, but nothing is coming from inside the black hole and getting out. For Hawking radiation, however, things get a little more complicated. In theory, you can imagine a black hole that was truly in the vacuum of space, with no matter, radiation, or other masses around it. If the black hole weren't there, all you'd have was the vacuum of flat, uncurved space governed by the fundamental laws of the Universe. But if you put the black hole there, you have curved space, an event horizon, and the laws of physics. And a consequence of that is that you get omnidirectional radiation with a blackbody spectrum to it: Hawking radiation.

The event horizon of a black hole is a spherical or spheroidal region from which nothing, not even . [+] light, can escape. But outside the event horizon, the black hole is predicted to emit radiation.

NASA Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

The problem with conceptualizing Hawking radiation is the following: all of the radiation originates from outside the event horizon, but the only place to draw energy from is the mass inside the black hole itself. For every quantum of energy (ه) released in the form of Hawking radiation, the mass of the black hole (م) has to decrease by an equivalent amount. How much is that? By exactly the amount that Einstein's most famous equation predicts, E = mc 2 . But how, then, can radiation from outside a black hole be caused by mass that's inside a black hole, particularly if nothing can escape the event horizon?

A visualization of what a black hole silhouetted against the backdrop of the Milky Way would look . [+] like. The event horizon is the dark region from which no light can escape.

The most common explanation — given by Hawking himself — is also the most wrong. One of the ways you can visualize vacuum energy, or the energy inherent to space itself, is with particle-antiparticle pairs. Empty space, because its zero-point energy is a positive value (rather than zero), can't be visualized as altogether empty you need something to occupy it. Combining this fact with the Heisenberg uncertainty principle, you arrive at a picture where matter-and-antimatter pairs pop into existence for a very brief amount of time, before annihilating away back into the nothingness of empty space. When one member is outside the event horizon but the other falls in, the "outside" one can escape, carrying energy away, while the "inside" one carries negative energy and decreases the mass of the black hole.

Particle-antiparticles pairs pop in-and-out of existence continuously, both inside and outside the . [+] event horizon of a black hole. When an outside-created pair has one of its members fall in, that's when things get interesting.

Ulf Leonhardt of the University of St. Andrews

First off, this visualization is not for real particles, but virtual ones. They are calculational tools only, not physically observable entities. Second, the Hawking radiation that leaves a black hole is almost exclusively photons, not matter or antimatter particles. And third, most of the Hawking radiation doesn't come from the edge of the event horizon, but from a very large region surrounding the black hole. If you must adhere to the particle-antiparticle pairs explanation, it's better to try and view it as a series of four types of pairs:

where it's the out-in and in-out pairs that virtually interact, producing photons that carry energy away, where the missing energy comes from the curvature of space, and that in turn decreases the mass of the central black hole.

Hawking radiation is what inevitably results from the predictions of quantum physics in the curved . [+] spacetime surrounding a black hole's event horizon. This diagram shows that it's the energy from outside the event horizon that creates the radiation, meaning that the black hole must lose mass to compensate.

But the true explanation doesn't lend itself very well to a visualization, and that troubles a lot of people. What you must calculate is how the quantum field theory of empty space behaves in the highly-curved region around a black hole. Not necessarily right by the event horizon, but over a large, spherical region outside of it. Performing the quantum field theory calculation in curved space yields a surprising solution: that thermal, blackbody radiation is emitted in the space surrounding a black hole's event horizon. And the smaller the event horizon is, the greater the curvature of space near the event horizon is, and thus the greater the rate of Hawking radiation.

As a black hole shrinks in mass and radius, the Hawking radiation emanating from it becomes greater . [+] and greater in temperature and power. Once the decay rate exceeds the growth rate, Hawking radiation only increases in temperature and power.

Under no circumstances, however, can we conclude that anything crosses the event horizon from inside to out. Hawking radiation comes from the space outside of the event horizon, and propagates away from the black hole. The loss of energy lowers the mass of the central black hole, eventually leading to total evaporation. Hawking radiation is an incredibly slow process, where a black hole the mass of our Sun would take 10 67 years to evaporate the one at the Milky Way's center would require 10 87 years, and the most massive ones in the Universe could take up to 10 100 years! And whenever a black hole decays, the last thing you see is a brilliant, energetic flash of radiation and high-energy particles.

Against a seemingly eternal backdrop of everlasting darkness, a single flash of light will emerge: . [+] the evaporation of the final black hole in the Universe.

These final decay steps, which won't occur until long after the final star has burned out, are the last gasps of energy the Universe has to give off. In it's own way, it's the Universe itself trying, one final time, to create an energy imbalance and an opportunity for the creation of complex structures. When the last black hole decays, it will be the Universe's final attempt to say the same thing it said at the start of the hot Big Bang, "Let there be light!"


The Black Hole Information Paradox, Stephen Hawking's Greatest Puzzle, Is Still Unsolved

Outside the event horizon of a black hole, General Relativity and quantum field theory are . [+] completely sufficient for understanding the physics of what occurs that is what Hawking radiation is. But even the combination of those two leads to an information paradox that has not yet been resolved.

With the passing of Stephen Hawking, science has lost not only its most recognizable public figure, but also a remarkable researcher into the nature of black holes. While his final paper may have focused more on some of the existential challenges facing cosmology today, his greatest scientific contributions were in uncovering some incredible quantum truths about the Universe by examining its most extreme objects. Black holes, once thought to be static, unchanging, and defined only by their mass, charge, and spin, were transformed through his work into ever-evolving engines that had a temperature, emitted radiation, and eventually evaporated over time. Yet this now-accepted scientific conclusion — inferring the presence and properties of Hawking radiation — had a tremendous implication: that black holes provided a way to destroy information about the Universe. Despite 40+ years of work on the problem by the world's brightest minds, the black hole information paradox still remains unresolved.

When a mass gets devoured by a black hole, the amount of entropy the matter has is determined by its . [+] physical properties. But inside a black hole, only properties like mass, charge, and angular momentum matter. This poses a big conundrum if the second law of thermodynamics must remain true.

Illustration: NASA/CXC/M.Weiss X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L) Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)

The second law of thermodynamics is one of the most inviolable rules of the Universe: take any system you like, don't allow anything to enter or leave it, and its entropy will never spontaneously decrease. Eggs don't spontaneously unscramble themselves, warm water never separates into hot and cold sections, and ashes don't reassemble into the shape of the object they were before they were burned. All of these would be an example of decreasing entropy, and this doesn't happen, in nature, on its own. Entropy can remain the same under most circumstance it increases but it can never return to a lower-entropy state. In fact, the only way to artificially decrease entropy is to pump energy into a system, "cheating" the second law by increasing the entropy external to the system by a larger amount than it decreases within your system. (Cleaning your house is one such example.) Put simply, entropy can never be destroyed.

The mass of a black hole is the sole determining factor of the radius of the event horizon, for a . [+] non-rotating, isolated black hole. For a long time, it was thought that black holes were static objects in the spacetime of the Universe.

For black holes, the thought — for a long time — was that they had zero entropy, but that couldn't be right. If the matter that you made black holes out of had a non-zero entropy, then by throwing that material into a black hole, entropy would have to go up or stay the same it could never go down. The idea for a black hole's entropy traces back to John Wheeler, who was thinking about what happens to an object as it fall into a black hole from the point of view of an observer well outside the event horizon. From far away, someone falling in would appear to asymptotically approach the event horizon, turning redder and redder due to gravitational redshift, and taking an infinitely long time to reach the horizon, as relativistic time dilation took effect. The information, therefore, from whatever fell in would appear to be encoded on the surface area of the black hole itself.

Encoded on the surface of the black hole can be bits of information, proportional to the event . [+] horizon's surface area.

T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam

Since a black hole's mass determines the size of its event horizon, this gave a natural place for the entropy of a black hole to exist: on the surface area of the event horizon. All of a sudden, black holes had an enormous entropy, based on the number of quantum bits that could be encoded on an event horizon of a particular size. But anything that has an entropy also has a temperature, which means it radiates. As Hawking famously demonstrated, black holes emit radiation of a particular (blackbody) spectrum and temperature, defined by the mass of the black hole that it's coming from. Over time, that emission of energy means that the black hole is losing mass, owing to Einstein's famous E = mc 2 if energy is being released, it has to come from somewhere, and that "somewhere" must be the black hole itself. Over time, the black hole will lose mass faster and faster, until in a brilliant flash of light far in the future, it evaporates entirely.

Against a seemingly eternal backdrop of everlasting darkness, a single flash of light will emerge: . [+] the evaporation of the final black hole in the Universe.

This is a great story, but it has a problem. The radiation it emits is purely blackbody, meaning it has the same properties as if we took a completely black object and heated it up to a particular temperature. The radiation, therefore, is exactly the same for all black holes of a particular mass — and this is the kicker — regardless of what information is or isn't imprinted on the event horizon.

According to the laws of thermodynamics, however, this can't be! That's the equivalent of destroying information, and is specifically the one things that's disallowed.

Anything that burns might appear to be destroyed, but everything about the pre-burned state is, in . [+] principle, recoverable, if we track everything that comes out of the fire.

If you burn two identically-sized books with very different content, you might be practically unable to reconstruct the text of either book, but the patterns of ink on the paper, the variations in molecular structures, and other minute differences all contain information, and that information remains encoded in the smoke, ash, the surrounding air, and all the other particles in play. If you could monitor the environment around and including the books to arbitrary accuracy, you would be able to reconstruct all the information you wanted it's scrambled, but not lost.

The black hole information paradox, however, is that all the information that was imprinted on the event horizon of the black hole, once it evaporates, has left no trace in our observable Universe.

The simulated decay of a black hole not only results in the emission of radiation, but the decay of . [+] the central orbiting mass that keeps most objects stable. Black holes are not static objects, but rather change over time. However, black holes formed of different materials should have different information encoded on their event horizons.

This loss of information should be forbidden by the rules of quantum mechanics. Any system can be described by a quantum wavefunction, and every wavefunction is unique. If you evolve your quantum system forwards in time, there's no way that two different systems should arrive at the same final state, but that's exactly what the information paradox implies. As far as we understand it, one of two things must be happening:

  1. Either information is truly destroyed somehow when a black hole evaporates, teaching us that there are new rules and laws in place for black hole evaporation,
  2. Or the radiation that's emitted somehow contains this information, meaning that there's more to Hawking radiation than the calculations we've done so far imply.

This paradox, more than forty years after it was first noticed, has still never been resolved.

An illustration of the quantum fluctuations that permeate through all of space. If these . [+] fluctuations are imprinted, somehow, on the outgoing Hawking radiation emanating from a black hole, it's possible that the information encoded on an event horizon will be preserved after all.

While Hawking's original calculations demonstrate that evaporation via Hawking radiation destroys whatever information was imprinted on the black hole's event horizon, modern thought is that something must happen to encode that information in the outgoing radiation. Many physicists appeal to the holographic principle, noting that the information encoded on the black hole's surface applies quantum corrections to the purely thermal Hawking radiation state, imprinting itself on the radiation as the black hole evaporates away and the event horizon shrinks. Despite the fact that Hawking, John Preskill, Kip Thorne, Gerard 't Hooft, and Leonard Susskind made bets and declared victory and defeat with respect to this problem, the paradox remains very much alive and unresolved, with many hypothesized solutions other than the one presented here.

The event horizon of a black hole is a spherical or spheroidal region from which nothing, not even . [+] light, can escape. But outside the event horizon, the black hole is predicted to emit radiation. Hawking's 1974 work was the first to demonstrate this, and it was arguably his greatest scientific achievement.

NASA DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.

Despite our best efforts, we still don't understand whether information leaks out of a black hole when it radiates energy (and mass) away. If it does leak information away, it's unclear how that information is leaked out, and when or where Hawking's original calculations break down. Hawking himself, despite conceding the argument more than a decade ago, continued to actively publish on the topic, often declaring that he had finally solved the paradox. But the paradox remains unresolved, without a clear solution. Perhaps that's the greatest legacy one can hope to achieve in science: to uncover a new problem so complex that it will take multiple generations to arrive at the solution. In this particular case, most everyone agrees on what the solution ought to look like, but nobody knows how to get there. Until we do, it will remain just another part of Hawking's incomparable, enigmatic gifts that he shared with the world.


2 Answers 2

There are lots of "black hole lifespan calculators" on the internet. This one by Viktor T. Toth seems to be particular comprehensive. A black hole with the same mass as our sun would take at least $2 imes 10^<67>$ years to evaporate due to Hawking radiation. This lifetime goes up with the cube of the black hole's mass. And we expect black holes that form from stellar collapse to be at least as massive as our sun, and probably several times as massive. As Toth says:

The lifetime of a one solar mass black hole, therefore, is calculated as more than 57 orders of magnitude longer than the present age of the universe. But that does not take into account the fact that such a black hole is colder than the cosmic microwave background radiation bathing it. Therefore, whatever little energy it radiates, it actually receives more in the form of heat from the cosmos. So rather than shrinking, it would continue to grow. Indeed, any black hole with a mass greater than about 0.75% of the Earth's mass is colder than the cosmic background, and thus its mass increases for now. As the universe expands and cools, however, eventually the black hole may begin to lose mass-energy through Hawking radiation.


شاهد الفيديو: 10 MINUTA: UV ZRAČENJE (كانون الثاني 2023).