¿Se conserva la energía cuando las cosas caen en un agujero negro?

  1. Todos sabemos en física que la ley de conservación de la energía establece que la energía total de un sistema aislado permanece constante; se dice que se conserva con el tiempo. La energía no se crea ni se destruye; más bien, se transforma de una forma a otra. ¿Qué sucede cuando dicha energía, es decir, planetas, estrellas, luz, etc., ingresa en un agujero negro?

  2. ¿Simplemente cambia de forma o desaparece de este universo a otro?

  3. Sé que muchos físicos han dicho que todas las leyes comienzan a romperse una vez que algo entra en un agujero negro, pero ¿hay nuevas teorías al respecto? ¿Es posible que simplemente convierta la energía en una nueva forma como la materia oscura?

Relacionado: physics.stackexchange.com/q/204099/2451 y enlaces allí.
Véase también La guerra del agujero negro de Leonard Susskind. Él y Stephen Hawking tenían un desacuerdo de larga data sobre preguntas como estas que se documentan en el libro.
Bueno, como dice uno de los títulos de los capítulos de Una breve historia del tiempo , "los agujeros negros no son tan negros". La entropía se conserva por la radiación de Hawking.

Respuestas (3)

La energía (en cualquier forma) que cae en un agujero negro contribuye a la masa del agujero, y la masa es una de las muchas formas que puede tomar la energía, utilizando el factor de conversión habitual: mi = metro C 2 .

Eso responde a la pregunta. ¿Cómo puedes agregar masa a algo que ya es infinitamente denso? En el centro de un agujero negro hay una singularidad gravitacional, un punto unidimensional que contiene una enorme masa en un espacio infinitamente pequeño, donde la densidad y la gravedad se vuelven infinitas y el espacio-tiempo se curva infinitamente.
@ Killer066 El marco básico de la naturaleza es la mecánica cuántica. La mecánica cuántica no tiene singularidades. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno: con el potencial eléctrico 1/r hay una singularidad en r=0. La mecánica cuántica lo resuelve cuantificando la energía. La singularidad del modelo original del big bang se ha evitado asumiendo una cuantización efectiva de la gravedad para el comienzo del universo. Análogamente, una cuantificación efectiva de un agujero negro eliminará la singularidad, aunque uno no habla de eso, es la razón por la cual la densidad infinita, etc., no perturba los modelos cosmológicos.
@dmckee Esto no es obvio a la luz de los problemas que definen la conservación de energía en GR.
@annav el átomo de hidrógeno tiene una singularidad en el potencial en r = 0 , V ∝ 1 / r ? ¿Por qué no debería haber también singularidades en, por ejemplo, el escalar de Ricci incluso en un GR cuantificado? ¿Qué es la 'cuantización efectiva de un agujero negro'?
@ Killer066 La singularidad dentro de un agujero negro es infinitamente densa porque su volumen es 0, pero su masa es finita. Entonces puedes agregarle masa y su densidad siempre será infinita.
@annav Para ser un poco quisquilloso, la singularidad en r = 0 porque el átomo de hidrógeno no se resuelve cuantizando la energía. Se resuelve eligiendo a priori una clase de funciones de onda tal que ∫ d r F ( r ) / r converge; esos representarían los estados "físicos" en los que los valores propios de la energía tienen sentido. Dicho esto, es posible que todavía haya singularidades en GR y QFT, especialmente cuando se trata de agujeros negros y métricas degeneradas.
¿Cuáles son otras formas de energía? Kinetic por ejemplo?
¿Cuál es el papel de la rotación de un agujero negro en la conservación de la energía? ¿Puede el material que cae alterar la rotación de un agujero negro de alguna manera?
@innisfree Bueno, me estoy saliendo rápidamente de mi área de competencia cuando comenzamos a hablar sobre la definición general de conservación de energía en GR, pero creo que está claro para geometrías suficientemente simples y observadores "fáciles". Diga la métrica de Schwartzchild. y un observador distante.
En teoría, un agujero negro con una densidad infinita absorbería todo el universo. Siendo realistas, no es infinito, sino una cantidad increíblemente grande y creciente, por lo tanto, la conservación de la energía.
La densidad de la singularidad puede o no ser infinita, pero no sabemos ni nos importa porque desde la distancia nunca vemos pasar nada al horizonte. Los observadores a distancia ven que la energía y la masa "dentro" se acumulan en el horizonte, donde su densidad parece muy grande pero sigue siendo finita. Lo cual está bien, porque tratar de razonar acerca de los infinitos parece llevar a algunas personas a decir cosas tontas.
@enrol76 He escuchado algunas teorías que dicen que las galaxias se están alejando de nosotros MÁS RÁPIDAMENTE que la velocidad de la luz Expansión de galaxias ¿ quizás tal vez los agujeros negros simplemente no pueden seguir el ritmo de la rápida expansión? ¿Hay algún cálculo que pueda decirnos la velocidad a la que los agujeros negros consumen energía? es decir, 'chupar' las cosas? Si es más lento que la expansión del universo, obviamente nunca podría absorberlo.
La energía se conserva en la relatividad general. La energía se conserva punto final. No hay máquinas de movimiento perpetuo.
Debo agregar que la pregunta era ¿Se conserva la energía cuando las cosas caen en un agujero negro? La respuesta dice que la energía (en cualquier forma) que cae en un agujero negro contribuye a la masa del agujero, y la masa es una de las muchas formas que puede tomar la energía, utilizando el factor de conversión habitual: E=mc² . En realidad no responde la pregunta.
En este punto, esta respuesta desechable está muy sobrevalorada. Voy a tener que volver a ello y ampliar un poco las cosas, pero estoy calificando los exámenes finales en este momento.

Para ampliar la respuesta de @dmckee, si tenemos un tiempo espacial que tiene la materia concentrada en un área central, podemos definir un vector de energía-momento conservado general llamado energía ADM. Se puede demostrar además que la energía del ADM no cambia cuando la materia cae en el agujero negro.

¿Los BH cumplen con todas las leyes de conservación cuando arrojas cosas en ellos? Escuché a personas decir que podría romper las simetrías globales.
@innisfree: es una pregunta sutil. Cosas como la energía ADM se define para todo el espacio-tiempo, en su límite, la pregunta que hizo, generalmente se interpreta en términos de leyes de conservación locales, y la invariancia de coordenadas hace que la conservación local sea algo complicada.
@innisfree En pocas palabras, un agujero negro aislado vive en un espacio-tiempo "asintóticamente plano", por lo que podemos definir sin ambigüedades una dirección del tiempo en el infinito, por lo que se mantienen todas las cosas habituales de Noether. Otra forma de verlo es que tener en cuenta el factor de corrimiento al rojo gravitacional está bien definido e independiente de la forma en que mueves el material en lo que respecta al observador normal en el infinito.
@ChrisWhite: La energía ADM es un poco más fuerte que solo el material noetheriano, porque el hamiltoniano ADM es idénticamente cero menos los términos de los límites, el valor de la energía ADM es, literalmente, el valor exacto del hamiltoniano.
  1. Pierde organización, por ejemplo, la materia se transforma en pura energía o algo por el estilo. No está del todo claro qué forma hay (algunos sugieren que no hay forma en absoluto, pero es obvio que no sigue el principio de exclusión de Pauli). Esto no es nada especial, sucede todo el tiempo: cuando quemas carbono, por ejemplo, obtienes un poco de energía desorganizada (calor) y una molécula de dióxido de carbono que tiene la energía de la molécula de carbono libre y oxígeno, menos la energía perdida. calor.
  2. No hay razón para creer que la materia se ha perdido; por un lado, la masa del agujero negro es exactamente la misma que la de la materia que formó el agujero negro, por lo que tanto la masa como la energía aún deben estar allí. En segundo lugar, tenemos buenas razones para creer que los agujeros negros emiten radiación y se "evaporan" con el tiempo; para los agujeros negros microscópicos, esto es tan importante que no existen por mucho tiempo. Esto es una suerte para nosotros, ya que tenemos bastante buena evidencia de que los agujeros negros microscópicos se crean todo el tiempo en la atmósfera superior de la Tierra. EDITAR: Mi culpa, esto no es realmente cierto. La teoría de cuerdas predice que esto podría ser cierto, pero parece que todavía no tenemos evidencia sólida de esto.Cuando se evaporan, toda la energía atrapada se libera nuevamente en nuestro entorno. Si el universo se enfría lo suficiente, esto eventualmente le sucederá a todos los agujeros negros, incluso a los gigantescos en el centro de las galaxias, pero llevará mucho, mucho tiempo, e incluso entonces solo si el universo sigue expandiéndose.
  3. Las leyes no se infringen y hay pocas razones para creer que lo harían. Lo que se rompe son algunos modelos, pero la mayoría de los físicos a los que le preguntes te dirán que cuando el modelo se rompe, es un problema del modelo, no de la realidad. Sabemos que los agujeros negros son reales, por lo tanto, cualquier modelo que se rompa al describir un agujero negro es incorrecto. Eso no significa que el modelo sea inútil, solo significa que no puede usarlo para describir agujeros negros (y presumiblemente otros fenómenos, posiblemente aún no descubiertos).
"Esto es una suerte para nosotros, ya que tenemos bastante buena evidencia de que los agujeros negros microscópicos se crean todo el tiempo en la atmósfera superior de la Tierra". Me gustaría tener una referencia para esto.
@TrevorAlexander Oh, mi error. Debo haberme olvidado de la época del susto del LHC :) Lo eliminaré.
¡No, espera! De hecho, quería una fuente para ello, no para refutar a nadie.
¿Se conserva la energía cuando las cosas caen en un agujero negro?
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