Teorema de ausencia de cabello para agujeros negros y el número bariónico

El teorema de la falta de cabello dice que un agujero negro se puede caracterizar por una pequeña cantidad de parámetros que son visibles desde la distancia: masa, momento angular y carga eléctrica.

Para mí es desconcertante por qué no se incluyen cantidades locales, es decir, números cuánticos diferentes de la carga eléctrica. La falta de tales parámetros significa la ruptura de las leyes de conservación (para un agujero negro hecho de bariones, la radiación de Hawking es 50% bariónica y 50% antibariónica).

La pregunta es:

  • ¿Si la falta de número bariónico como parámetro del agujero negro es una relación bien establecida?

O

  • ¿Es (o puede ser) solo un artefacto de falta de unificación entre QFT y GR?

Respuestas (3)

El teorema de la ausencia de cabello se demuestra en la gravedad clásica, en espaciotiempos de 4 dimensiones asintóticamente planos y con un contenido de materia particular. Al observar circunstancias más generales, comenzamos a ver que las variaciones de las suposiciones originales le dan más pelo al agujero negro. Por ejemplo, para AdS asintóticamente, uno puede tener cabello escalar (un hecho que se usa para construir superconductores holográficos). Para espacios de cinco dimensiones, los agujeros negros (y los anillos negros) pueden tener momentos dipolares de cargas de calibre. Tal vez haya más sorpresas.

Pero, la intuición básica detrás del teorema de la falta de cabello sigue siendo válida. El hecho básico utilizado en todas estas construcciones es que cuando el objeto cae en un agujero negro, puede imprimir su existencia en el exterior del agujero negro solo si está asociado con un campo de largo alcance. Entonces, por ejemplo, un electrón cambiará la carga del agujero negro, lo que significa que el agujero negro tendrá un campo de Coulomb. Podría medir la carga total mediante una superficie de Gauss apropiada. Tenga en cuenta que la gravedad no tiene corrientes locales conservadas (consulte esta discusión ), lo único que podría medir es la carga total .

En cuanto al número de bariones, no está asociado con una fuerza de largo alcance, cuando cae en un agujero negro no hay nada que recuerde ese hecho, y el número de bariones no se conserva. Esta es solo una de las razones por las que existe la creencia general de que las cargas globales (aquellas cantidades que no están acompañadas por fuerzas de largo alcance) no se conservan realmente. Para el número bariónico sabemos que es un hecho: nuestro mundo tiene más bariones que antibariones, por lo que la simetría observada del número bariónico solo debe ser aproximada. Debe haber sido violado en el universo primitivo cuando se generaron todos los bariones (busque una discusión relacionada aquí ), un proceso que se conoce como bariogénesis.

Genial si uno siente que sus respuestas no son necesarias en absoluto, Moshe. ;-) +1
Conozco el sentimiento. Rutinariamente dejo pasar las cosas cuando no tengo tiempo porque sé que estarías dando una buena respuesta.

Una forma de salir de esto: si cree que la radiación de Hawking es real y que los agujeros negros se evaporan por completo, entonces:

1) la radiación de Hawking viola las condiciones de energía positiva. Estas son suposiciones en el teorema sin cabello. Por lo tanto, no esperamos que el teorema sin cabello sea válido para los agujeros negros si la radiación de Hawking es importante.

2) Si el perfil de evaporación evoluciona de cierta manera, se puede evitar la formación de un verdadero horizonte de eventos, haciendo que solo aparezca un horizonte aparente por un tiempo finito. Esto permitirá que la información sobre el número bariónico de entrada escape del agujero negro.

Pero clásicamente, tienes razón. Está bien establecido que pierdes la información sobre lo que pones en el agujero negro: clásicamente, un agujero negro formado por el colapso de neutrinos es idéntico a un agujero negro formado por el colapso de una estrella de neutrones o fotones u ondas gravitacionales o lo que sea. .

El hecho de que la información pueda conservarse no significa que se apliquen las leyes de conservación. Creo que sabemos lo suficiente sobre la radiación de Hawking para saber que, incluso si la información se escapa, el número bariónico real aún no se conserva, lo que creo que era la verdadera pregunta del OP.
@Peter Shor, pero sin el mecanismo de una partícula que choca con la singularidad, se fusiona con ella y luego se irradia como otra partícula, no tengo 100% claro cuál sería el mecanismo de una interacción de destrucción de números de bariones.
Los bariones se aceleran a alta energía, en cuyo caso están involucrados en interacciones que no conservan el número bariónico, que ya sabemos que existen. La geometría es bonita y todo, pero no es la única explicación para todo.
@Jerry: No sabemos cuál es la interacción de destrucción del número bariónico, pero sabemos que debe existir. Crea un enorme agujero negro usando solo bariones. La primera radiación tiene que ser una radiación de longitud de onda muy larga (a menos que crea que esto es incorrecto), lo que significa que no irradiará ningún barión hasta que su masa sea bastante pequeña. En ese punto, si la relación barión/masa es mayor que el protón, posiblemente no pueda irradiar suficiente masa para conservar el número bariónico. Entonces podemos concluir que las interacciones a escala de Planck no deben conservar el número bariónico de este experimento mental.
@Peter, nunca lo escuché argumentado de esa manera, muy bueno.
@Peter: sin embargo, ese proceso no violará el número de bariones: las partículas de longitud de onda larga contendrán cantidades iguales de, por ejemplo, antineutriones y neutrinos (al ser un baño termal), y no podrán producir un número neto de leptones/antileptones o bariones/antibariones. Luego, deje tiempo suficiente para que los campos que contienen los grados de libertad iniciales para el número de bariones o lo que sea se propaguen de regreso, y estará donde comenzó, más algo de radiación térmica que contiene cantidades iguales de partículas y antipartículas.
@Moshe: la última vez que lo comprobé, no se había observado la descomposición de protones.
@Jerry, la última vez que lo comprobé, vemos prácticamente solo bariones a nuestro alrededor, por lo que el número de bariones no se puede conservar exactamente en todas las escalas de energía de nuestro universo. Pero me gusta más la respuesta de @Peter porque te dice por qué tenía que ser así. Creo que su respuesta a Peter con el escenario "los agujeros negros en realidad no se forman" tiene sus propios problemas, pero este no es el lugar para entrar en esta discusión.
@Moshe: Si cree que el agujero negro se evapora por completo, no hay un horizonte de eventos, eso es simplemente un hecho que surge de la falta de una singularidad en los últimos tiempos. Personalmente, estoy de acuerdo con decir que el agujero negro podría no evaporarse completamente, ya que sabemos muy poco sobre la reacción inversa de la radiación de Hawking de todos modos, pero parezco ser una minoría en eso. En cualquier caso, se necesita un proceso para destruir los bariones dentro del agujero negro para que no se conserven. si esto es parte de la resolución de la singularidad, bien, ese no es mi campo. ¿Y quién dijo que todos los números cuánticos eran cero en t=0?
@Jerry El problema es el de las escalas de tiempo, no es probable que se emita una cantidad macroscópica de bariones en los últimos cuantos se evapora, al igual que es poco probable que el universo haya comenzado con un pequeño desequilibrio de bariones sobre antibariones. La física relevante es la del horizonte, la resolución de la singularidad no es el problema en la física de los agujeros negros; esa sería una salida fácil. Uno tiene que entender lo que sucede durante la larga vida del BH para el cual el horizonte es real.
@Moshe: entonces, ¿cuál es tu problema con mi respuesta? Eso está resuelto en el tercer párrafo de mi OP. La radiación de Hawking es un distractor de esto, entonces, porque es solo un baño termal de partículas y antipartículas en igual proporción. Los agujeros negros son idénticos sin importar qué los hizo. Lo único que sucede es que la energía negativa de la radiación de Hawking permite que se violen los teoremas clásicos del agujero negro GR (lo más importante aquí, el aumento del área y los teoremas de ausencia de cabello) y, por lo tanto, permite que los constituyentes interiores del BH escapen al infinito.
Realmente no entiendo tu escenario, cuando el agujero negro desaparece por completo, todo en él se convierte en radiación de Hawking. Si el BH se hizo inicialmente a partir de bariones, todos terminaron como radiación principalmente de neutrinos o lo que sea. Si no está diciendo que los bariones se están irradiando en el último tiempo de evaporación de Planck, ¿cuándo están saliendo? Realmente creo que el argumento de Peter resuelve el problema.
@Moshe: Estoy diciendo que todos los generadores nulos y temporales que ingresan al horizonte eventualmente abandonan el horizonte, además de aquellos que realmente se cruzarían con la singularidad en sí (y en el caso en que a o q ≠ 0 , no es necesario que las geodésicas entrantes intersecten la singularidad). Por lo tanto, a menos que una interacción con la singularidad no conserve el número de bariones, los bariones que entran en el agujero eventualmente salen del agujero. Puede ver esto usted mismo con un modelo Vaiyda cargado con un perfil masivo que se parece a METRO ( v ) = v 4 ( v − v 0 ) 4 . y cero para 0 ≤ v ≤ v 0
Es un teorema de GR que los horizontes de los agujeros negros que se encogen son transversales, es básicamente mi argumento. Si el agujero negro se evapora por completo, cada punto interior está en el pasado del infinito futuro nulo o del infinito temporal futuro. Por lo tanto, algo en el interior tiene que destruir los bariones, o el colapso del agujero negro no puede eliminar el número bariónico neto, ya que la radiación de halcón solo creará pares de partículas y antipartículas.
@Jerry: ¿Tiene una cita en alguna parte sobre el hecho de que los horizontes de los agujeros negros que se reducen son transitables? No he visto este teorema en ninguna parte.
@Peter: Voy a mirar alrededor. Sé que está en las cosas del horizonte de captura de Hayward, pero son muchos papeles para que alguien los revise. Sin embargo, puedes imaginarlo si miras un diagrama de Penrose de un agujero negro que se está encogiendo.
Solo para agudizar el problema: mantenga el agujero negro en un estado estable alimentándolo continuamente con bariones. Nunca verás regresar a los bariones. La estructura causal de un agujero negro que se evapora es una distracción interesante, pero no creo que pueda explicar el problema.
@Jerry: si el protón y el neutrón son las partículas elementales con la mayor relación número bariónico/masa, entonces un agujero negro con número bariónico 2 norte y la masa de norte los protones no pueden desintegrarse en partículas elementales y conservar el número bariónico. Y si hubiera una partícula con mayor relación número bariónico/masa, sería estable y presumiblemente la habríamos visto.
@Moshe @Peter: calcular la conservación de masa/energía para un sistema como este no es trivial, ya que la sugerencia de Moshe destruirá la planitud asintótica, y la radiación de Hawking tiene energía negativa en relación con el infinito asintótico. No digo que estén equivocados, más bien digo que no estoy convencido. Es por eso que mi respuesta inicial fue "Aquí hay una manera en que podrías salir de esto" en tono, más que "esto es correcto".
@Jerry: El flujo entrante de bariones con energía finita ciertamente no destruirá la planitud asintótica, solo corresponde a tener un estado diferente en el horizonte, cuya influencia cae lo suficientemente rápido como para preservar la planitud asintótica. En cuanto al caso del agujero negro que se evapora, si entiendo su escenario correctamente, cuando habla de campos cuánticos en lugar de partículas clásicas (como debería) se reduce a la sugerencia de que el número de bariones se restaura "en el último minuto", a lo cual Peter proporcionó un buen contraargumento.
@Moshe: un flujo constante e interminable de partículas ciertamente destruirá la planitud asintótica. Y si estamos hablando de campos cuánticos, tenemos que medir el campo en tiempos tardíos de todos modos, donde la planitud asintótica en el infinito futuro nulo nos permite restaurar el grupo de Poincaré y obtener una noción de lo que significa 'partícula', de todos modos. Cualquiera de las derivaciones de estas cosas que he visto ha requerido una definición de los estados 'dentro' y 'fuera' en el infinito nulo pasado y futuro, de todos modos.

Una respuesta estándar es que la fuerza nuclear obedece a un potencial de Yukawa V ( r )   =   − mi − a r / r que cae con un rango muy corto. Una carga que cae sobre un agujero negro tendrá un campo eléctrico de largo alcance que conecta el horizonte con el infinito conforme. La carga eléctrica se distribuye en el horizonte y permanece aparente. El tipo de fuerza Yukawa que cae rápidamente no aparece de esta manera.

Existe el contenido holográfico de campos cuánticos o cadenas que caen sobre un agujero negro. El número bariónico, y de hecho todos los números cuánticos, se conservan en el horizonte extendido. Son aniquilados en un futuro lejano cuando son reemplazados por modos de radiación de Hawking. Sin embargo, esta radiación de Hawking es solo una "recodificación" de la información cuántica. Sin el sistema maestro de descifrado, lo que emerge parece ser ruido. Sin embargo, si se preserva la información cuántica, entonces el número de bariones, o más fundamentalmente los tipos de familia de quarks y las cargas de color, simplemente se transforma en alguna otra forma de información cuántica.

Interesante. Me pregunto qué pasaría si dejaras caer algo como un quark en un agujero negro, por lo que no serías neutral en cuanto al color.
Si observa cómo un barión se acerca a un agujero negro, el sistema se retrasa o se congela por encima del horizonte de sucesos. Luego están los campos X en GUT que rotan un quark en un leptón. Al observar un barión acercarse a un agujero negro, y si uno puede presenciar las frecuencias altamente desplazadas hacia el rojo (IR), esto equivale a presenciar la demolición de un barión. La correspondencia entre AdS y CFT, y AdS tiene una correspondencia con los campos en su límite y el horizonte del agujero negro tiene allí una equivalencia entre un decaimiento de protones GUT y una violación de bariones en agujeros negros.
Teorema de ausencia de cabello para agujeros negros y el número bariónico
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