Complementariedad del agujero negro - absorción de la radiación de Hawking

Esta no es una respuesta completa, ya que no sé la respuesta completa, pero es más que un comentario.

Mi contribución es comparar tu pregunta con otra más simple y luego volver a la tuya.

1. Dependencia del observador de la radiación en la física clásica

Aquí está la pregunta más simple (una para la que se conoce una respuesta). Una partícula cargada que se acelera en el espacio vacío emitirá radiación electromagnética. Una partícula cargada fijada en algún punto de un campo gravitatorio estático no emitirá radiación electromagnética. Ambas afirmaciones son verdaderas, en relación con una determinada elección natural del marco de referencia en cada caso. Pero, en el primer ejemplo, uno podría subir a bordo de un cohete acelerando con la partícula, y no se verían ondas electromagnéticas en el marco del cohete. En el segundo ejemplo, uno podría caer libremente más allá de la partícula, y en este marco de caída libre, se verá la radiación electromagnética. Entonces, ¿qué está pasando aquí? ¿La partícula cargada emite radiación o no?

Todo este escenario se puede tratar con la relatividad especial y enseña buenas lecciones para prepararnos para la relatividad general. La lección principal aquí es que el proceso de emisión y posterior absorción de radiación no es absoluto sino relativo, cuando se consideran marcos de referencia acelerados, pero los cambios de estado asociados con la absorción de radiación, como el chasquido de un detector, son absolutos. Es la forma en que interpretamos lo que causó que un detector hiciera clic lo que puede cambiar de un cuadro a otro.

Para hacer que lo anterior realmente se relacione con su pregunta, tenga en cuenta que en mis escenarios simples podría imaginar una nube de gas posiblemente absorbiendo la radiación entre el emisor y el receptor, al igual que en su escenario.

2. Para resolver una paradoja en física dependiente del observador, primero convénzase sobre el observador más fácil, luego busque argumentos para explicar lo que encuentra el otro observador.

El principio anterior se puede aplicar para resolver acertijos en relatividad, como si un poste rápido puede caber en un granero corto o si un remache rápido puede aplastar un insecto en un agujero.

3. El efecto Unruh tiene dos interpretaciones físicas complementarias, dependiendo de quién esté acelerando

La radiación de Hawking es como la radiación de Unruh y, por lo tanto, es más sutil que la radiación clásica. Un consejo útil de la consideración de la radiación de Unruh es el siguiente. El cálculo de Unruh dice que un detector que acelera a través del vacío recoge energía interna, equivalente a detectar partículas. Ahora, si miramos este detector desde un marco inercial, aún concluimos que capta excitación , pero lo interpretamos de manera diferente: decimos que la fuerza que lo empuja proporcionó algo de energía que se convirtió en energía interna porque el proceso no es perfectamente suave.

4. Respuesta

Ahora aplicaré todo lo anterior para dar una respuesta a su pregunta. Admito que no estoy seguro y la siguiente respuesta es solo mi suposición. Sólo pretendo que sea una conjetura inteligente.

Supongo que el observador distante observa la radiación de Hawking y las líneas de absorción. Digo esto porque es un resumen consistente de lo que me parece ser física ordinaria, asumiendo que hay radiación de Hawking saliendo de un horizonte.

Así que el enigma es explicar esto desde el punto de vista de la nube que cae libremente. Creo que un observador que cae con la nube mira a su amigo distante y nota que su amigo está acelerando a través del vacío y, en consecuencia, experimenta una excitación interna debido a la fluctuación de las fuerzas que lo aceleran. Para dar cuenta de las líneas de absorción, es decir, la ausencia de excitación a ciertas frecuencias, supongo (y esta es la parte especulativa) que ahora el cálculo de la teoría cuántica de campos tendría que tener en cuenta que el resto del espacio-tiempo no está vacío sino que tiene la nube que mencionaste, y esta nube afecta la acción general de los campos cuánticos de esta manera. Tenga en cuenta que no se trata de un caso de acción a distancia (en ninguna de las dos perspectivas), pero es una predicción muy sorprendente, por lo que creo que su pregunta es muy interesante.

Su punto #1 tiene que ver con el hecho de que algunos físicos creen que si la información no REGRESA, violaría el principio Unitario. La filosofía de la Mecánica Cuántica exige que Unitario sea inmutable. Por lo tanto, algunas personas idearon teorías para demostrar que la información no se pierde realmente en el agujero negro.

No he leído el libro que mencionas, pero casualmente estoy leyendo The Rode to Reality de Penrose, y hay una sección en el libro donde realmente toca este mismo tema. Sin embargo, me temo que Penrose, en efecto, no comparte este punto de vista en relación con su Punto #1. Para citarlo (página 841), "Me parece inconcebible que de alguna manera 'en el momento justo antes de que se cruce el horizonte' se emita algún tipo de señal al mundo exterior transmitiendo todos los detalles de toda la información contenida en el material que se derrumba. ...Simplemente una señal no sería suficiente por sí sola, ya que el material en sí mismo es, en cierto sentido, realmente la "información" que a uno le preocupa. Una vez que ha caído a través del horizonte, el material queda atrapado,

Quizás esta no sea la respuesta que estabas buscando, pero espero que te sirva de algo.

En primer lugar, disculpe por responder que no tiene educación física.

Si el gas no cae en el agujero negro (hay al menos una distancia mínima entre el horizonte de eventos y las moléculas de gas) la absorción se comportaría de la misma manera que si el agujero negro fuera una estrella "regular" que tiene el mismo espectro. como la radiación de Hawking.

Debido a la alta velocidad del gas y las grandes masas, se deben considerar los efectos relativistas.

Según tengo entendido, la fuente de la radiación de Hawking es el espacio vacío cerca del horizonte de sucesos del agujero negro y no el agujero negro en sí. Esa teoría dice que en el espacio vacío se forman fotones y anti-partes con una energía (y masa) negativa (!), pero normalmente estos pares se destruirán a sí mismos a la vez. Cerca de un agujero negro, las antipartes caen en el agujero negro mientras que los fotones salen del agujero negro. (Si esto es cierto, entonces la teoría de Nathaniel es incorrecta: la radiación de Hawking se forma cuando el agujero negro ya existe).

Esto significaría que el gas entre el horizonte de eventos y el punto donde se origina la radiación de Hawking no influye en la radiación de Hawking (mientras que el gas que está más alejado del agujero negro se comporta como el gas cercano a una estrella "regular").

La gran recompensa me anima a publicar una respuesta de marcador de posición que me esforzaré por mejorar en las próximas 24 horas... El efecto Unruh ya se ha mencionado varias veces, a veces se dice que muestra que la existencia de partículas es relativa al marco de referencia. De hecho, hay un marco de referencia en el que un detector Unruh parece emitir una partícula.

Sugiero que la forma de modelar esta pregunta es tratar la nube de gas, cuando cruza el horizonte de eventos, de manera similar a un detector Unruh; y usar algo como el formalismo Raju-Papadodimas para AdS/CFT, para describir los dos escenarios complementarios (observador fuera del horizonte de eventos, observador cruzando el horizonte de eventos) de una manera unificada. Buscaré si algo como esto ya ha sido discutido en la literatura sobre la paradoja de la información.

actualización : Otra forma de pensar sobre esta pregunta... Para un gran agujero negro, el gas que cae no ve una diferencia significativa inmediatamente por encima y por debajo del horizonte. Pero para el observador distante, hay una diferencia radical entre algo que está fuera del agujero negro y absorbe parte de la radiación de Hawking, y algo que es parte del agujero negro y (en efecto) produce parte de la radiación de Hawking. Sin embargo, por la complementariedad del agujero negro, tampoco debería haber una diferencia significativa entre estas dos situaciones en el caso del gas que cae. ¿Como puede ser?

La respuesta debe ser una especie de correspondencia Unruh-Hawking. El gas que cae a través del espacio suavemente curvado justo dentro del horizonte participa en alguna forma de efecto Unruh; y para el observador fuera de este horizonte, esto ahora corresponde a una supresión continua de la radiación de Hawking en las longitudes de onda que absorbe el gas. La complementariedad de los agujeros negros exige que esto sea así, y el desafío es idear una explicación puramente en términos de termodinámica del horizonte (p. ej., ¿ciertos estados excitados del agujero negro?) que reproduzca esta supresión.