¿Por qué la radiación de Hawking hace que los agujeros negros mueran? [duplicar]

Si una partícula está siendo expulsada de un agujero negro y una antipartícula está siendo impulsada hacia él, ¿no debería ocurrir lo contrario también y en las mismas frecuencias?

Quiero decir, los agujeros negros también deberían emitir radiación antipartículas y recolectar energía de ella y la energía del agujero negro no debería cambiar, ¿verdad?

¿Qué me estoy perdiendo?

Creo que esta es una buena pregunta, un detalle que falta en la explicación profana de la radiación de Hawking. Mi mejor pensamiento es que hay un argumento de cortafuegos cósmico detrás de esto. Después de todo, ¿qué causa normalmente la aniquilación de pares de partículas y antipartículas espontáneas? La energía neta del sistema es cero. Pero si la antipartícula atraviesa el cortafuegos, la carga del sistema se desequilibra, por lo que la partícula se asusta. Pero me falta una descripción más técnica de enloquecer.
physics.stackexchange.com/q/44922 Creo que ese tipo en esa publicación tiene la misma pregunta con una mejor comprensión
He encontrado la respuesta que necesitaba en este artículo. arxiv.org/abs/1008.3657

Respuestas (4)

EDITAR: Se requiere la maquinaria completa de la teoría del campo cuántico en el espacio-tiempo curvo para derivar la radiación de Hawking correctamente. En QFT hay varias formas equivalentes de pensar en los procesos de dispersión. La forma mejor y más fácil, debido a los diagramas de Feynman, es pensar en partículas virtuales. Estas partículas no son reales, y en este sentido no existen. Son contrapartes de partículas reales, pero pueden tener la masa que deseen. Ellos "existen" sólo como intermediarios entre partículas reales. La explicación de la ciencia popular de la radiación de Hawking se centra principalmente en esta imagen de partículas virtuales. ¿Qué tiene esto que ver con la energía del vacío? Bueno, si tienes un campo y tiene la energía más baja posible (energía de vacío), cuántas partículas hay no es una pregunta "natural", por así decirlo. Es algo que puede cambiar por períodos cortos de tiempo, debido al famoso Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Entonces, estas partículas virtuales son realmente solo fluctuaciones alrededor de la energía del vacío, pero tenga en cuenta que la energía negativa de una de las partículas es absolutamente necesaria en la radiación de Hawking, porque al final de este proceso necesita tener una situación que es real y no lo es. solo una fluctuación. La energía del vacío no se puede bajar (es la energía más baja posible que puede tener el campo) por lo que la energía tiene que venir del agujero negro. ¡El vacío no es lo que da la energía! Si no hubiera vacío, no habría campos, ni Universo, como lo conocemos, no solo radiación de Hawking. : ) La gente suele hablar de horizonte de sucesos y no de ergosfera porque cuando explican la radiación de Hawking se centran en el caso más simple de un agujero negro que no gira. Veresta respuesta sobre la radiación de Hawking de agujeros negros giratorios y cargados.

RESPUESTA ANTIGUA: Los agujeros negros emiten todo tipo de partículas y antipartículas diferentes como parte de la radiación de Hawking. La pérdida de masa no tiene nada que ver con si la materia o la antimateria caen en un agujero negro. Tiene que ver con el signo de la energía de la partícula (virtual). Las fluctuaciones cuánticas crean pares de partículas y antipartículas cerca del horizonte de eventos, pero estos son virtuales. Eso significa que no pueden existir por mucho tiempo y solo se pueden observar indirectamente. Una de estas (anti)partículas logra escapar y convertirse en una verdadera partícula con energía positiva. La conservación de la energía exige que la (anti)partícula que no escapó y cayó en el agujero negro tenga energía negativa. No sucede lo contrario porque si sucediera la partícula virtual de energía negativa se convertiría en una partícula real y esto no es posible.

"Los agujeros negros emiten todo tipo de radiación". Esto es un poco vago... ¿estás hablando solo de la radiación de Hawking? Mi pensamiento inmediato fue incluir la emisión del material acumulado, que no es del agujero negro. Aunque tal vez sea solo yo.
Sí tienes razón. Debería haberlo dejado más claro. He editado mi respuesta. ¡Gracias!
También edité mi respuesta para abordar la pregunta planteada más tarde por el OP.

La siguiente respuesta no es "rigurosa", pero puede dar una explicación simple.

Suponga que tiene una fluctuación cuántica cerca del horizonte, pero afuera. Esta fluctuación cuántica crea 2 partículas, una con energía negativa -E, la otra con energía positiva +E.

Si las 2 partículas quedan fuera del agujero negro, tienen que aniquilarse en un tiempo. t ≤ ℏ mi

Ahora, una de las 2 partículas puede caer dentro del agujero negro, y hay 2 posibilidades; la partícula que escapa puede tener una energía positiva o negativa. El punto clave es que hay una asimetría entre estos 2 casos.

Para que una partícula sea real, su energía tiene que ser positiva, pero relativa a la coordenada temporal. Con una variable de evolución τ , esto se puede escribir d t d τ > 0

Cuando el horizonte está siendo cruzado (por la partícula que cae), podemos considerar que hay un cambio en la naturaleza del tiempo y la coordenada espacial radial. La coordenada similar al tiempo se convierte en una coordenada similar al espacio, y la coordenada espacial radial se convierte en una coordenada similar al tiempo.

Más precisamente, si, fuera del agujero negro, las coordenadas son (en unidades C = 1 ) : z = r + i t , entonces las "coordenadas" dentro del agujero negro son z → z ′ ∼ − i z Entonces,

z ′ = r ′ + i t ′ ∼ − i ( r + i t ) = ( t − i r )

Entonces, t ′ ∼ − r y X ′ ∼ r

Para que una partícula escape, la energía debe ser positiva en relación con t , entonces mi = d t d τ > 0 , pero para la partícula que cae, la "energía" debe ser positiva en relación con t ′ , eso es = d t ′ d τ > 0 , que es "equivalente" a − d r d τ > 0 .

Pero la última expresión solo significa que la partícula es una partícula que cae, que era nuestra hipótesis. Podríamos decir también, para la partícula que cae, que la energía "externa" − mi se convierte en un impulso "interior".

De acuerdo con su lógica, la partícula que cae realmente no tiene energía negativa, ¿solo es una partícula que retrocede en el tiempo y es expulsada del BH en forma de radiación? ¿Porque T se vuelve negativo también?
Como se precisa al final de la respuesta, la dimensión del espacio radial "interior" "corresponde" a un tiempo exterior, por lo que, − mi es sólo un impulso "interior". No hay un proceso de "retroceso" en el tiempo. La radiación corresponde a la partícula que se escapa (de energía positiva "externa" mi )
'Retroceder en el tiempo' como en la partícula que es arrastrada por la gravedad en lugar de empujada. Pero, ¿por qué esta inversión en la dimensión del espacio radial solo expulsaría radiación? ¿No afectaría a toda la materia que cruza el horizonte?

Se llama conservación de energía.

Cuando una partícula real sale del campo del agujero negro, la energía se lleva hasta el infinito, y el agujero se agota por ese delta (E), sin importar cuán suave sea la salida de la partícula. Eventualmente, es posible que toda la masa del agujero negro se agote hasta el punto de no poder tener la fuerza del campo gravitatorio que lo convierte en un agujero negro.

Ahora bien, si le preocupa que el universo esté en peligro de perder su población de agujeros negros, no lo esté. La radiación de Hawking solo tiene un efecto notable en los agujeros negros de alrededor de 10^12 kg 1. o más pequeño. Esto se debe a que un agujero negro debe morir de hambre. Es decir, la materia-energía que emite debe ser mayor que la materia-energía que toma. Dado que la masa de los agujeros negros es inversamente proporcional a su temperatura y la cantidad de materia-energía que irradia depende de su temperatura, entonces como la la masa del agujero negro aumenta, la cantidad de materia-energía que emite disminuye. Entonces, para los agujeros traseros más grandes, como uno de la masa de nuestro sol, su temperatura es muy baja, alrededor de 10 ^ -7 K, por lo que tienen una radiación muy baja. Y dado que reciben luz de las estrellas, radiación cósmica de fondo e incluso materia, en forma de polvo, planetas y estrellas, continúan creciendo. Solo será en alguna fecha futura cuando todas las estrellas se hayan apagado,

Editar después de los comentarios:

Lo anterior responde al título.

En el contenido preguntas:

Si una partícula está siendo expulsada del Agujero Negro y una antipartícula está siendo impulsada hacia él, ¿no debería ocurrir lo contrario también y en las mismas frecuencias?

Sí.

Quiero decir que los agujeros negros también deberían emitir radiación antipartículas y acumular energía de ella y la energía del agujero negro no debería cambiar, ¿verdad?

No.

Sea una partícula o una antipartícula, la energía que porta, masa y parte cinética, es siempre positiva para una partícula real. Una vez que una partícula/antipartícula sale del agujero negro, es real y se lleva energía agotando la reserva de energía del agujero negro.

¿Qué me estoy perdiendo?

Que las antipartículas son anti solo en sus números cuánticos versus sus partículas correspondientes, no en la energía/masa. El electrón y el positrón tienen la misma masa positiva.

El único problema es que no explicas el proceso, solo que algo sucedería. ¿Cómo puede una partícula real apartarse de la EH? No veo que funcione en la explicación convencional de la radiación de Hawking, ¿es un efecto de túnel? ¿Por qué la radiación de Hawking no sería algo generado a partir de energía apenas fuera del EH (y el BH no perdería energía)? ¡Gracias!
Eche un vistazo a este modelo matemático del agujero negro que muestra la ergosfera en.wikipedia.org/wiki/Ergosphere . La ergosfera es una parte del campo/entidad que se define como un agujero negro. La energía agotada de la ergosfera es energía agotada del agujero negro. Me gusta la explicación no rigurosa de @Trimok. Para profundizar realmente en estas cosas, se necesita la teoría cuántica de campos.
He mirado los documentos que has mostrado. Y en mi mente, si la energía agotada viniera de la ergosfera, tendría perfecto sentido. Pero entonces el BH no moriría si la energía no viniera del EH, ¿verdad? Estaba un poco confundido acerca de la terminología cuando hice la pregunta, y creo que ahora lo entiendo mejor. Lo que realmente quise decir con la 'reunión de energía' de BH es que si la energía desplacada viniera de la ergosfera, entonces las 'partículas virtuales' de energía positiva también entrarían en la EH (aumentando la EH en el costo de la ergosfera a través del mismo tipo de radiación).
El punto es que la ergosfera es parte del sistema de energía del agujero negro. No hay ergosfera si no hay agujero negro. Cualquier energía tomada de la ergosfera disminuye la energía del agujero negro.
Estoy de acuerdo contigo, pero entonces el BH no tendría una 'fecha de vencimiento', ¿verdad? Porque a través de este proceso, la EH no disminuiría para siempre hasta la extinción, como Hawking concluyó que en algún momento la EH se disiparía. Creo que la radiación de Hawking está relacionada de alguna manera con algo llamado 'campo vectorial asesino' y que, en teoría, dijo que debería generar energía negativa dentro de la EH y de alguna manera posibilitar que la energía positiva salga de la EH dejando solo su par negativo dentro.
@eJunior. La energía negativa es negativa frente a un cero hipotético. Por ejemplo, existe energía potencial por debajo de cero y energía cinética por encima de cero. No tiene significado esotérico más allá del algebraico. Significa que tienes que restar, como restas energía cuando una partícula sale de la ergosfera con E y el anti cae en el agujero a un nivel -E con respecto a un cero en la superficie.

Yo fui quien publicó la pregunta... Pero tengo ENORMES problemas con el sitio web ya que no puedo comentar nada y no puedo iniciar sesión en la cuenta de eMagus por algún motivo (cada vez que inicio sesión en eMagus, automáticamente inicia sesión en eJunior). Así que no puedo responder a ninguna respuesta a menos que también la publique como respuesta... Lo siento.

Investigué un poco y el problema que tengo con sus respuestas es este: no existe tal cosa como una partícula de energía negativa; es imposible existir. Tanto la antipartícula como la partícula son de energía positiva.

'Extraen' energía del vacío... Y normalmente colisionarían y liberarían la energía en el vacío. Supongo que la teoría de la radiación de Hawking no tiene nada que ver con las partículas de energía negativa... Su origen debe estar en la energía del vacío drenada proveniente del agujero negro, así que no importa si la partícula o la antipartícula se erradian, la 'energía drenada' proviene del micropartículas del vacío del horizonte de sucesos.

Pero lo que no entiendo es por qué la radiación de vacío de energía drenada proviene del horizonte de eventos y NO de la ergosfera del agujero negro.

En mi opinión, es el vacío de la ergosfera el que debería proporcionar energía a la radiación y no el vacío del propio agujero negro. Si se crean apenas dos partículas virtuales del liminar de la ergosfera y una cae en el horizonte de sucesos, la energía aún proviene de la ergosfera, ¿verdad?

E incluso si fuera cierto que está drenando energía de la ergosfera, lo que ya me cuesta entender, ¿no debería la ergosfera emitir radiación de Hawking también y en una escala mucho mayor que cualquier cosa que pueda provenir del horizonte de eventos?

Estoy tratando de fusionar las dos cuentas para comentar correctamente, ¡gracias!

Y así... si hipotéticamente no hubiera energía de vacío fuera del EH..., no debería haber radiación de halcón proveniente de él.
He agregado texto a mi respuesta para abordar sus inquietudes.
Hombre, desearía poder comentar las respuestas de otras personas. Sinceramente, estoy pensando en crear otra pregunta solo para eso. Pero de todas formas gracias bubble por contestar. Haré comentarios sobre sus respuestas de manera correcta.
@Bubbles Como veo, la energía del vacío está disminuyendo constantemente debido a la entropía y debido a la expansión del universo, corríjame si no es así (en realidad no soy físico). Según tengo entendido, las partículas virtuales se acumulan a partir de la energía del vacío (drenando energía de él)... la partícula y la antipartícula se borran y la energía vuelve al vacío. No hay ninguna 'partícula de energía negativa' involucrada... Pensé que sería una aliteración de este proceso de drenaje de energía.
Lo que no entiendo es por qué la radiación hawking no está drenando la ergosfera en lugar del horizonte de eventos... el vacío de la EH no generaría partículas virtuales fuera de la EH, ¿verdad?
si considera el principio de conservación para mí, también podría representar fácilmente que el BH podría drenar energía del universo exterior ya que la 'partícula real' que fue al EH era energía positiva y lo que hace que la 'partícula que se va' necesite ser energía negativa. ¿Por qué una partícula que sale del EH tiene que ser real y una que entra no?
Creo que estás confundiendo muchos conceptos aquí. Esto no tiene nada que ver con la constante cosmológica y la expansión del Universo. Si la entropía realmente redujera la energía del vacío, el Universo sería destruido. Si desea violar la conservación de energía por períodos cortos de tiempo, puede (bueno, no realmente, decimos que el operador de número de partículas no conmuta con el hamiltoniano), pero no puede tener un proceso real en el que le dé energía al agujero negro desde el vacío, esto violaría las leyes de conservación.
Por proceso real me refiero a un proceso que no forma parte de un proceso más complicado y da como resultado estados estables que pueden existir en el sentido propio.
Y por la destrucción del Universo, literalmente quiero decir que una disminución de la energía del vacío sería favorable por naturaleza y se formarían nuevos tipos de partículas que causarían la descomposición del vacío que, con el tiempo, destruiría el Universo: en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_decay Al final, debe terminar con un proceso real, sin partículas virtuales estables. Comienzas con un agujero negro y terminas con una partícula y un agujero negro un poco más pequeño. Este es un proceso real.
@Bubbles gracias por los comentarios que ha estado haciendo. el punto que había dicho sobre la disminución de la energía del vacío en realidad no tenía nada que ver con mi problema en general. El punto que quiero entender es CÓMO la radiación hawking extrae energía del EH y no de la ergosfera... ¿cómo puede la energía del vacío del EH crear partículas fuera del EH? si está drenando energía del vacío de la ergosfera, no debería hacer que el BH muera, por lo que no tiene sentido para mí. y la radiación hawking puede provenir tanto de la ergosfera como de EH en todo caso?
¿Por qué la radiación de Hawking hace que los agujeros negros mueran? [duplicar]
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