¿Por qué los agujeros negros no son fuentes de antimateria?

Este es realmente el giro en la construcción de QFT que a veces todavía se malinterpreta. Históricamente, personas como Dirac notaron que las soluciones a las ecuaciones de campo relativistas, como la ecuación de espinor para$\psi(x)$admitió aparentes densidades de masa-energía negativas. Sin embargo, una vez que ingresa a QFT, ya sea desde una "segunda cuantización" o una construcción Fockiana de abajo hacia arriba, se da cuenta de que estas nunca fueron densidades de energía negativas, es solo que$\psi(x)$representaba una "mezcla reflejada" de operadores de creación de un tipo de partículas y operadores de aniquilación para sus "amigos espejo". Esto significa que operadores como$\psi(x)$actuar sobre un estado crearía una partícula en$x$, y destruir a su compañero de espejo, si estaba en$x$.

Para resumir, los "compañeros espejo", también conocidos como "antipartículas", son absoluta y definitivamente partículas con energía positiva, al igual que las "partículas ordinarias", y no pueden surgir sin una fuente positiva de energía. (No hablemos demasiado sobre las " partículas virtuales " que permiten interacciones de influencia de rarezas cuánticas solo por la "posibilidad de que haya partículas/antipartículas allí, si hubiera suficiente energía presente").

Más específicamente, la construcción de QFT requiere postular un vacío, y su definición es que no puede simplemente bombear libremente más partículas/antipartículas de energía positiva, ya que las energías negativas no están permitidas. Esta suposición puede no ser obvia, pero en realidad es simplemente la única opción que le permite obtener predicciones útiles de la teoría. Y una última cosa: no hay una forma significativa en la que una partícula de energía positiva que viaja hacia adelante en el tiempo pueda distinguirse de una partícula de energía negativa que viaja hacia atrás en el tiempo. Así que se podría decir que toda la materia que cae en un agujero negro es materia de energía negativa que viaja hacia atrás en el tiempo. Pero nunca verás una partícula de energía positiva viajando hacia atrás en el tiempo desde un agujero negro.

La razón por la que a veces se hace referencia a las antipartículas como "partículas invertidas en el tiempo" es un poco sutil y tiene que ver con la simetría de Lorentz, en particular con la CPT. Es solo que se le permite construir teorías que tienen procesos irreversibles en el tiempo mientras permanece invariante de Lorentz siempre que tenga esos "amigos espejo" en el juego también. El punto es que la teoría no necesita permitir los procesos inversos idénticos con las partículas originales, solo necesita permitir los procesos inversos idénticos con sus compañeros espejo (y posiblemente también la paridad invertida).

Entiendo de dónde viene con esta pregunta: realmente se remonta a la comprensión popular de la creación de la radiación de Hawking por pares virtuales de partículas y antipartículas. Pero en esta explicación no es importante que la partícula que "entra" sea una antipartícula, mientras que la que "sale" es una partícula. Puede intercambiar esos dos y, de hecho, la radiación de Hawking está hecha de partículas y antipartículas. Lo que permite la radiación de Hawking es la "rareza cuántica" que permite que los principios cuánticos "tomen prestada" energía-momentum virtualmente y la transfieran a intervalos similares al espacio si es energéticamente favorable. En el lenguaje de las partículas virtuales,.

Sin profundizar más en los detalles, solo quiero señalar que lo único que permite que el agujero negro "filtre" partículas es la ruptura de la inversión del tiempo por el colapso. Un cálculo perfectamente reversible en el tiempo en realidad no produce radiación (que en realidad fue calculado por Unruh algún tiempo antes de Hawking). Entonces, realmente la radiación de Hawking se crea a pesar de la simetría CPT.

Cuando inviertes el tiempo de un agujero negro, obtienes un agujero blanco . Por lo tanto, no ves los agujeros negros como fuentes de antimateria. Los agujeros blancos serían fuentes de antimateria, pero eso no dice mucho porque de todos modos todo se cae de los agujeros blancos.