Agujeros negros y partículas de energía positiva/negativa

Hay dos maneras de abordar su pregunta. El primero es explicar lo que Brian Greene quiere decir, y el segundo es señalar que la explicación de "tragar partículas" es una metáfora y no es realmente cómo se realiza el cálculo. Intentaré ambos, pero estoy fuera de mi zona de confort, así que si otros pueden ampliar o corregir lo que sigue, ¡participen!

Cuando se produce un par de partículas virtuales, no hay una partícula de energía negativa y una partícula de energía positiva. En cambio, la pareja forma un sistema enredado donde es imposible distinguir entre ellos. Este sistema entrelazado puede interactuar con el agujero negro y dividirse, y la interacción garantiza que la partícula emergente será la positiva. NB "positivo" y "negativo" no significan "partícula" y "antipartícula" (para lo que significa ver más abajo), y el agujero negro irradiará igual número de partículas y antipartículas.

Ahora en el segundo bit, y me acerco a esto con temor. Cuando cuantificas un campo, obtienes partes de frecuencia positiva y frecuencia negativa. Puede pensar en estos como si representaran partículas y antipartículas. La forma en que se definen las frecuencias positivas y negativas depende de su elección de vacío, y en la teoría cuántica de campos, el vacío se define sin ambigüedades. El problema es que en un espacio-tiempo curvo, como la región cercana a un agujero negro, el vacío cambia. Eso significa que los observadores que se encuentran lejos del agujero negro ven el vacío de forma diferente a los observadores que se encuentran cerca del agujero negro, y los dos observadores ven diferentes cantidades de partículas (y antipartículas). Un vacío cerca del horizonte de sucesos parece un exceso de partículas para los observadores lejanos, y esta es la fuente de la radiación.

Consulte el artículo de Wikipedia sobre la transformación de Bogoliubov para obtener más información, aunque debo admitir que encontré este artículo en gran medida incomprensible.

Exactamente las mismas matemáticas dan el efecto Unruh , es decir, la producción de partículas en un marco acelerado. El hecho de que el efecto Unruh también produzca partículas muestra que un agujero negro no es necesario para la radiación, por lo que no pueden ser simplemente partículas virtuales tragadas.

Además, el libro menciona que una partícula de energía negativa le parecería positiva a un observador dentro del agujero negro. ¿Por qué?

En términos muy generales y en términos tan simples como sea posible, dentro del agujero negro, la gravedad es tan intensa que la coordenada temporal y una de las coordenadas espaciales (la coordenada radial) intercambian "roles". Esa es una forma de ver por qué no puedes "recuperarte" y salir del agujero. "Back up" ahora está en la dirección del tiempo inverso y no puede retroceder en el tiempo.

De todos modos, dado que la energía está asociada con la coordenada temporal y el momento con las coordenadas espaciales, la energía y el momento radial de una partícula también intercambian "roles" cuando cruzan el horizonte. La energía negativa de la partícula se convierte en cantidad de movimiento negativa y la cantidad de movimiento positiva de la partícula se convierte en energía positiva.

Acabo de ver PBS Space Time sobre esto, que también parece responder a su pregunta.

https://www.youtube.com/watch?v=ztFovwCaOik

Si bien no tengo dudas, la respuesta aceptada es la más completa. Todavía quiero tratar de explicarlo en los términos simples que entendí del video.

Descargo de responsabilidad: no soy físico y lo más probable es que mi respuesta sea incorrecta o incompleta.

a) Las partículas virtuales son, ante todo, un truco matemático para que podamos calcular el espacio-tiempo en constante movimiento en una escala cuántica. En realidad, parece que cuando hablamos de partículas virtuales en realidad hablamos de pequeñas fluctuaciones de campo que se anulan entre sí.

b) En el horizonte de eventos, sin embargo, esos campos se cortan repentinamente, por lo que la fluctuación no puede cancelarse y producir partículas reales y positivas que posean energía en su lugar. La radiación de Hawking.

Así que esto explica la radiación. La pregunta es, ¿por qué el agujero negro pierde energía?

La salida fácil sería invocar la ley de conservación de la energía. No tengo idea, pero me lo imagino como cuando sostienes una sábana con otros firmes que se mueven debido al viento. Te cuesta energía mantenerlo estable en el borde mientras absorbes las fluctuaciones.