Astronomía

¿Existe una mejor explicación de la radiación de Hawking?

¿Existe una mejor explicación de la radiación de Hawking?


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Estoy escribiendo un artículo sobre la radiación de Hawking y encuentro que tengo un problema. La explicación "dada" que encuentro en Wikipedia y en otros lugares no es satisfactoria:

"Se puede obtener una comprensión física del proceso imaginando que la radiación de partículas y antipartículas se emite justo más allá del horizonte de eventos. Esta radiación no proviene directamente del agujero negro en sí, sino que es el resultado de partículas virtuales que son" impulsadas "por la gravitación del agujero negro en partículas reales[10]. Como el par partícula-antipartícula fue producido por la energía gravitacional del agujero negro, el escape de una de las partículas reduce la masa del agujero negro.[11]. Una visión alternativa del proceso es que las fluctuaciones del vacío hacen que un par de partículas y antipartículas aparezca cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro. Uno de los dos cae en el agujero negro mientras que el otro escapa. Para preservar la energía total, la partícula que cayó en el agujero negro debe haber tenido una energía negativa ... "

Se basa en partículas virtuales y partículas de energía negativa. Sin embargo, las fluctuaciones del vacío no son lo mismo que las partículas virtuales, que solo existen en las matemáticas del modelo, y conocemos las partículas de energía negativa. Entonces estoy buscando una mejor explicación. El artículo de Wikpedia también dice esto:

"En otro modelo, el proceso es un efecto de túnel cuántico, mediante el cual se formarán pares de partículas y antipartículas a partir del vacío, y uno hará un túnel fuera del horizonte de eventos.[10]."

Sin embargo, eso sugiere que la producción de pares está ocurriendo dentro del horizonte de eventos, que parece ignorar la dilatación del tiempo gravitacional infinito, y que uno de ellos a) aparece fuera del horizonte de eventos yb) se escapa como radiación de Hawking cuando la producción de pares normalmente implica la creación de un electrón y un positrón. De nuevo, es insatisfactorio. Entonces:

¿Existe una mejor explicación de la radiación de Hawking?


Andy Gould propuso una derivación clásica de la radiación de Hawking en un artículo algo oscuro de 1987. El argumento esencial es que un agujero negro debe tener una entropía finita distinta de cero (de lo contrario, podría violar la segunda ley de la termodinámica con un agujero negro). Además, la entropía del agujero negro debe depender solo de su área (de lo contrario, podría cambiar el área de un agujero negro a través del proceso de Penrose y disminuir su entropía y hacer una máquina de movimiento perpetuo). Si un agujero negro tiene una entropía y una masa, entonces tiene una temperatura. Si tiene una temperatura, entonces debe irradiar térmicamente (de lo contrario, podría violar nuevamente la segunda ley de la termodinámica).

Por supuesto, si miras la temperatura de radiación de Hawking, hay una constante de Planck allí, por lo que tiene que saber algo sobre mecánica cuántica, ¿verdad? Pero resulta que en realidad es la termodinámica en general la que conoce la mecánica cuántica, no la relatividad general; la constante de Planck solo es necesaria para mantener las entropías finitas (y por lo tanto las temperaturas distintas de cero). Esto es cierto tanto para los agujeros negros como para los cuerpos negros.


Hay una buena explicación en esta página web. Un pasaje clave es este:

en el espacio-tiempo curvo no existen estos "mejores" sistemas de coordenadas, los inerciales. Por lo tanto, incluso elecciones diferentes de coordenadas muy razonables pueden dar lugar a desacuerdos sobre partículas frente a antipartículas, o cuál es el vacío. Estos desacuerdos no significan que "todo es relativo", porque hay buenas fórmulas sobre cómo traducir las descripciones en diferentes sistemas de coordenadas. Estas son transformaciones de Bogoliubov.

En particular, continúa diciendo

por un lado, podemos dividir las soluciones de las ecuaciones de Maxwell en frecuencia positiva de la manera más obvia que alguien lejos del agujero negro y en el futuro lo haría ...

y, por otro lado, podemos dividir las soluciones de las ecuaciones de Maxwell en frecuencias positivas de la manera más obvia que alguien en el pasado, antes de que ocurriera el colapso en un agujero negro, lo haría.

Por lo tanto, lo que el observador en el pasado lejano pensó que era un espacio genuinamente vacío sin partículas (no virtuales) o antipartículas, un observador en el futuro lejano podría verlo como un espacio con partículas (y antipartículas) perfectamente buenas. Esas partículas son radiación de Hawking.


¿Radiación de Hawking observada?

La radiación de Hawking es mucho más fría que la CMB. Para unos pocos agujeros negros de masa estelar, la temperatura de la radiación de Hawking es de alrededor de [itex] 10 ^ <-8> [/ itex] K. Si se va a observar el efecto Hawking, se espera que los experimentos de laboratorio que involucren análogos Los sistemas de materia condensada son el camino a seguir. Por ejemplo, consulte: http://www.technologyreview.com/view/420940/first-observation-of-hawking-radiation/. De acuerdo con wikipedia, sin embargo, si esto constituye una "confirmación genuina" (sea lo que sea) permanece en duda.

En cuanto a por qué razonamos al respecto, es una sorprendente predicción de la gravedad semiclásica. Por supuesto, no deberíamos basar más ciencia en ello hasta que se observe. ¿Tiene la sensación de que esto está sucediendo? Mi sospecha personal es que gran parte del discurso paradójico y frenético de los últimos tiempos sobre los cortafuegos de los agujeros negros y la paradoja de la información ha surgido porque en el fondo estamos usando una teoría empalmada, semiclásica y, en última instancia, incompleta.


Sobre la radiación de venta ambulante

Entonces, básicamente, ustedes tienen problemas para llegar a un consenso sobre lo que sucede porque la física cuántica + la relatividad no explican la mecánica de la dilatación del tiempo junto con la creación de partículas de energía de punto cero de manera satisfactoria.

loldudes? Describiste el túnel de partículas de la misma manera que yo me describo (a mí mismo) las probabilidades de creación cuántica. Si la pregunta no estaba clara, estaba preguntando en qué se diferencia mi interpretación de lo que se dijo, considerando que personas como haelfix estaban diciendo que la analogía de la doble partícula de túnel era incorrecta.

El argumento que vi (considerando que publiqué solo fragmentos de las conversaciones completas) era circular, simplemente estaba pidiendo una aclaración sobre lo que consideras la diferencia entre la redacción de mi interpretación y la tuya. (ignoremos que estamos hablando de la radiación de venta ambulante, ya que me salí del tema y comencé a hablar sobre la propiedad y administración de los agujeros negros de partículas)

Aprobado por su intento de trollear una pregunta perfectamente buena, FrameD.

Aún no entiendo tu pregunta. Si "lo que se dijo" fueron declaraciones de que no era una cuestión de túnel cuántico de adentro hacia afuera, y su "interpretación" dijo que sí, parece bastante obvio cómo su interpretación "difiere de lo que se dijo".

Y de nuevo, ¿dónde vio a la gente "teniendo problemas para llegar a un consenso sobre lo que sucede"?

loldudes? Describiste el túnel de partículas de la misma manera que yo me describo (a mí mismo) las probabilidades de creación cuántica. Si la pregunta no estaba clara, estaba preguntando en qué se diferencia mi interpretación de lo que se dijo, considerando que personas como haelfix estaban diciendo que la analogía de la doble partícula de túnel era incorrecta.

El argumento que vi (considerando que publiqué solo fragmentos de las conversaciones completas) era circular, simplemente estaba pidiendo una aclaración sobre lo que consideras la diferencia entre la redacción de mi interpretación y la tuya. (ignoremos que estamos hablando de la radiación de venta ambulante, ya que me salí del tema y comencé a hablar sobre la propiedad y administración de los agujeros negros de partículas)

Aprobado por su intento de trollear una pregunta perfectamente buena, FrameD.

No se moleste. Yo mismo investigaré cómo ambas declaraciones pueden estar de acuerdo entre sí, pero también entran en conflicto con mi propia redacción.

Estoy de acuerdo con el sentimiento, pero creo que generalmente se atribuye a Einstein, no a Feynman. He escuchado varias versiones, incluyendo & quot; camarera & quot o & quot; inteligente de ocho años & quot; como la persona a la que se supone que debes poder explicárselo.

Leí la página de Báez y no la encontré muy clara ni convincente. Dice que deberíamos estar hablando de transformaciones de Bogoliubov en lugar de pares de partículas y antipartículas, y dice que pueden ser equivalentes, no es un experto, pero no ve ninguna razón para pensar que son equivalentes. Luego hace referencia a Wald como fuente de información más detallada. Si lee el tratamiento en Wald, Wald afirma explícitamente que las travesuras técnicas con las transformaciones de Bogoliubov * pueden * interpretarse como pares de partículas-antipartículas.

Mi experiencia previa con las transformaciones de Bogoliubov fue en física nuclear no relativista, donde usamos la aproximación de cuasipartículas para describir las excitaciones de los huecos de partículas en presencia de una interacción residual que causa el emparejamiento entre las órbitas invertidas en el tiempo. Aunque no estoy familiarizado con la versión relativista, parece cualitativamente similar. En lugar de orbitales llenos y vacíos, tienes un mar de Dirac lleno de estados de energía negativa y un espectro vacío de estados de energía positiva. Una excitación partícula-agujero debe interpretarse claramente como un par partícula-antipartícula.

Teniendo en cuenta que Báez admite que no está seguro, y que sus referencias parecen contradecir lo que dice, tendería a descartar sus afirmaciones de que hay algo de malo en la interpretación partícula-antipartícula.

Una de las cosas interesantes de la aproximación de Bogoliubov es que los estados propios no son estados de número de partículas definido. En física nuclear, esto significa que puedes intentar describir algún isótopo como 168Er, pero la función de onda que estás calculando es un promedio sobre varios isótopos cercanos como 167Er, etc. Todo esto es en un contexto no relativista, donde es claramente incorrecto tener un número de partículas variable, y solo puede esperar que los errores resultantes tengan un promedio de cero. Supongo que las funciones de onda de Bogoliubov también tienen esta propiedad en el caso relativista, pero no sé cuál es la interpretación.

bcrowell - la cita aparentemente es:
"Si no puedes explicárselo a un niño de seis años, no lo entiendes tú mismo".

Encontré la cita atribuida a feynman aquí:
http://quotes.ethanbloch.com/post/133216421/if-you-cant-explain-it-to-a-six-year-old-you [roto]

y también lo encontré atribuido a einstein en varios lugares, por lo que probablemente fue einstein quien lo dijo primero. Creo que recordé haberlo leído en & quot; seguramente debe estar bromeando, señor feynman & quot; y pensé que era su propio comentario.

Dicho esto, Feynman siempre fue directo al frente con comentarios sobre lo que la física entiende y lo que no. QED está lleno de comentarios como:
--Mira, mis estudiantes de física tampoco lo entienden. eso es porque no lo entiendo. nadie lo hace. & quot y:
“Cuanto más ves lo extrañamente que se comporta la naturaleza, más difícil es hacer un modelo que explique cómo funcionan realmente los fenómenos más simples. así que la física teórica ha renunciado a eso ''.

es por eso que sigo publicando comentarios como & quot; nadie sabe qué es un campo & quot y & quot; nadie sabe cómo funciona un campo & quot; lo que siempre molesta a alguien que responde con & quot; por supuesto que sabemos qué es un campo - un campo es un dominio. bla, bla, que no explica exactamente nada sobre la naturaleza de un campo o cómo funciona.

Creo que es inherentemente muy importante para los físicos ser sinceros no solo con los laicos, sino también con ellos mismos, que realmente no comprendemos ni siquiera los fenómenos más simples, como cómo funciona un imán o qué sucede cuando dos partículas interactúan, etc.

No creo que la mayoría de los físicos crean que tienen el tipo de perspicacia que tú crees que tienen. Cuando se les pide explicaciones, dan lo mejor que tienen bajo el supuesto de que ustedes, yo, nosotros, sabemos que no son omniscientes.

Por cierto, el cerebro de un niño de 6 años es funcional y estructuralmente diferente al de un adulto, un adolescente o una persona de 40. ¿Es realmente una cita inteligente y valiosa solo por su posible origen?


Radiación de Hawking

Esta es una descripción muy popularizada de lo que sucede (como dijo el propio Hawking, fue la analogía popular más cercana que se le ocurrió). No debes usarlo demasiado para tratar de entender las cosas.

Esto ni siquiera es cierto en la analogía. En la analogía, uno de ellos (partícula o antipartícula) tendrá energía negativa y será absorbido. Esto es lo que disminuye la masa de BH.

También tengo un problema muy similar con esta teoría.

Si no hay una probabilidad del 50/50 de que la partícula con energía negativa caiga en el agujero negro, ¿qué gobierna eso?

Bien, ¿la premisa falsa es el hecho de que cae en el agujero negro? ¿O el hecho de que incluso lo estoy considerando como un porcentaje?

Sé que podría mirar las matemáticas, pero por eso vine a este foro, para hablar con personas que ya conocen las matemáticas. Pero si es necesario puedo echarle un vistazo.

del artículo original sobre lo que ahora se llama Radiación de Hawking:

A medida que disminuía la masa del agujero negro, el área del horizonte de eventos aumentaría
tienen que bajar, violando así la ley que, clásicamente, el área no puede disminuir
[7, 12]. Esta violación debe, presumiblemente, ser causada por un flujo de energía negativa
a través del horizonte de eventos que equilibra el flujo de energía positivo emitido a
infinito. Uno podría imaginarse este flujo de energía negativa de la siguiente manera. Sólo
fuera del horizonte de eventos habrá pares virtuales de partículas, una con negativo
energía y uno con energía positiva. La partícula negativa está en una región que
está prohibido clásicamente, pero puede atravesar el horizonte de eventos hasta la región
dentro del agujero negro donde el vector Killing que representa las traducciones del tiempo
es similar a un espacio. En esta región, la partícula puede existir como una partícula real con un tiempo
vector de momento a pesar de que su energía relativa al infinito medida por el
traducción del tiempo El vector de matanza es negativo. La otra partícula del par, habiendo
una energía positiva, puede escapar al infinito donde constituye una parte de la térmica
emisión descrita anteriormente. La probabilidad de que las partículas de energía negativa formen un túnel.
a través del horizonte se rige por la gravedad superficial K ya que esta cantidad
mide el gradiente de la magnitud del vector Killing o, en otras palabras,
qué tan rápido el vector Killing se está volviendo similar a un espacio. En lugar de pensar en negativo
partículas de energía que atraviesan el horizonte en el sentido positivo del tiempo uno
podría considerarlas como partículas de energía positiva que cruzan el horizonte en el pasado
líneas de mundo y luego ser esparcido en líneas de mundo dirigidas hacia el futuro por
el campo gravitacional. Cabe destacar que estas imágenes del mecanismo
responsables de la emisión térmica y la disminución del área son solo heurísticos
y no debe tomarse demasiado literalmente.


Radiación de Hawking: El asesino del agujero negro

Siempre que leemos sobre objetos celestes, el tema que más nos emociona son los Agujeros Negros. Un agujero negro se forma cuando una estrella agota su combustible nuclear y la gravedad abruma el núcleo & # 8211 la estrella comienza a colapsar bajo su propia masa. La fuerza gravitacional aplasta los átomos en el núcleo y la estrella colapsa en un punto adimensional, conocido como la singularidad. Los agujeros negros tienen una atracción gravitacional extremadamente poderosa, tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. El horizonte de eventos y # 8211 el límite negro del agujero negro es el punto de no retorno. Esta magnífica y monstruosa entidad tiene la capacidad de devorar múltiples mundos.

Radiación Hawking

Durante mucho tiempo, los físicos creyeron que los Agujeros Negros eran eternos. Pero Stephen Hawking tenía algo más en mente. Propuso una teoría, conocida como radiación de Hawking, que nos mostró que los agujeros negros también tienen un final.

En la escala cuántica, un proceso conocido como fluctuación cuántica da como resultado la formación de un par de partículas, una de antimateria y la otra de materia, que interactúan y se aniquilan instantáneamente entre sí. El universo está en el proceso constante de hacer estas partículas virtuales. En el espacio vacío, es solo un proceso normal, pero alrededor de un agujero negro, juega un papel completamente diferente. cuando estas partículas virtuales aparecen exactamente en el horizonte de eventos o cerca del horizonte de eventos, entra en juego la gravedad del agujero negro. Aspira una de las partículas y la otra escapa al espacio, la partícula que escapa se convierte en una & # 8220partícula real & # 8221, por lo tanto, para un observador fuera del agujero negro parecería que el agujero negro irradia masa y energía. Como el agujero negro ahora está perdiendo energía, comienza a & # 8220evaporarse & # 8221.

Los agujeros negros pequeños emiten radiación más rápidamente que uno masivo, por lo que se evaporarán más rápido. Este sigue siendo un proceso muy lento y los cálculos muestran que los agujeros negros más grandes tardarán más de un googol años, un & # 82201 & # 8221 seguido de 100 ceros, para evaporarse.

Ecuaciones:

El tiempo que tarda un Agujero Negro en evaporarse a través de la radiación de los cetreros se obtiene mediante la siguiente ecuación.

V es el volumen del agujero negro,

G es la constante gravitacional universal,

ℏ es la constante de planck & # 8217s reducida, y

Un agujero negro de una masa solar (1 M = 2 x 10 ^ 30 kg), ¡tomará 2,1 x 10 ^ 67 años!

Teorías de apoyo y más misterios:

Hay muchas teorías que apoyan la radiación de Hawking (transformación de Bogoliubov, geodésica nula), pero por otro lado, hay muchas hipótesis que también se oponen a ella. No podemos encontrar una respuesta a estos misterios a menos que dominemos nuestro conocimiento en la teoría cuántica de la gravedad.

Además de su muerte, los agujeros negros también están llenos de otros misterios. Por ejemplo, no tenemos ninguna evidencia que nos pueda decir qué hay dentro de un agujero negro, todavía estamos desconcertados con la posibilidad de que existan agujeros blancos simultáneamente con agujeros negros y muchos más. Supongo que tendremos respuestas a estas preguntas cuando tengamos una teoría cuántica de la gravedad o cuando alguien se ofrezca como voluntario para sumergirse en un agujero negro.


Cómo Stephen Hawking transformó nuestra comprensión de los agujeros negros

Hay mucho que todavía no sabemos sobre los agujeros negros, pero estos gigantes devoradores de luz serían aún más misteriosos si Stephen Hawking no hubiera sondeado sus tintas profundidades.

Para empezar, el famoso cosmólogo, que murió ayer (14 de marzo) a la edad de 76 años, ayudó a dar un respaldo matemático más sólido al concepto de agujeros negros, cuya existencia predijo la teoría de la relatividad general de Albert Einstein de 1915.

"Hawking de hecho demostró algunos teoremas matemáticos rigurosos sobre las ecuaciones de Einstein para la gravedad que mostraban que, en circunstancias bastante generales, había lugares donde las ecuaciones se rompían y destruían lo que se llaman singularidades", dijo Tom Banks, profesor de física y astronomía en la Universidad de Rutgers. -New Brunswick en Nueva Jersey. "Y, en particular, la región dentro de un agujero negro es una singularidad". [Stephen Hawking: un icono de la física recordado en fotos]

Pero fue la investigación de Hawking sobre la naturaleza de los agujeros negros la que resultaría revolucionaria. Inicialmente, su trabajo sugirió que un agujero negro nunca podría hacerse más pequeño y específicamente, que el área de la superficie de su horizonte de eventos esférico, el punto más allá del cual nada puede escapar, nunca podría disminuir.

De manera similar, la segunda ley de la termodinámica sostiene que la "entropía" o desorden de un sistema cerrado nunca puede disminuir. Y, a principios de la década de 1970, el físico Jacob Bekenstein conectó explícitamente los conceptos, proponiendo que la entropía de un agujero negro está vinculada al área de su horizonte de eventos.

Hawking fue originalmente escéptico de esta idea, dijo Banks. Después de todo, la entropía y los agujeros negros no parecían ir juntos: se suponía que los agujeros negros no irradiaban energía de ningún tipo & mdash, de ahí el nombre & mdash y no se puede tener entropía sin radiación.

Pero luego Hawking procesó los números, de una manera que nadie lo había hecho antes.

"Luego demostró que, si añadías la mecánica cuántica al juego, podías demostrar que, de hecho, los agujeros negros no eran realmente negros", dijo Banks a Space.com. "De hecho, emitieron radiación".

Esta radiación proviene de "partículas virtuales", que constantemente aparecen y desaparecen en el extraño reino cuántico. Lo hacen en pares de materia-antimateria, uno de los cuales tiene energía positiva y el otro energía negativa.

Por lo general, estas parejas se aniquilan entre sí de inmediato. Pero si este par de estallidos ocurriera en el límite del horizonte de eventos de un agujero negro, una partícula podría, teóricamente, ser devorada mientras que la otra se disparó hacia el espacio. Si se comiera la partícula de energía negativa, la masa del agujero negro se reduciría en una pequeña cantidad y el objeto emitiría una minúscula radiación.

Hawking elaboró ​​esta idea en 1974, razón por la cual esta supuesta luz de agujero negro se conoce como radiación de Hawking o radiación de Hawking-Bekenstein. Nadie ha detectado esas emisiones todavía, pero la mayoría de los físicos creen que existen. Por lo tanto, postulan que todos los agujeros negros se reducirán eventualmente a la nada, después de que no les quede materia para deshacerse. (Esto sucederá en escalas de tiempo casi inimaginablemente largas para los grandes agujeros negros, algunos cálculos sugieren que el último de los monstruos supermasivos en los núcleos de las galaxias no morirá hasta dentro de 10 ^ 100 años más o menos).

Aunque sin duda alguna fue un genio, Hawking no siempre tuvo la razón, y uno de sus errores de alto perfil se refería a los agujeros negros. El cosmólogo postuló que la información transportada por cada partícula y los datos mdash que caracterizan su giro y masa, por ejemplo, y mdash atrapados por un agujero negro, se perderían cuando el agujero negro se evaporara. [Las ideas más descabelladas de Stephen Hawking sobre los agujeros negros]

La mayoría de los otros físicos no estuvieron de acuerdo, y por una buena razón, dijo Banks.

"Conduce a ecuaciones que están en contradicción masiva con hechos experimentales conocidos", dijo. "Hay ciertos tipos de agujeros negros idealizados que se pueden construir en modelos de teoría de cuerdas, y ahí está bastante claro que no hay pérdida de información".

En cambio, esta información debe volver a filtrarse al universo a través de la radiación de Hawking antes de que el agujero negro se disipe, piensa la mayoría de los físicos. Hawking finalmente llegó a esta posición, dijo Banks.

El trabajo de Hawking sobre el agujero negro también ha estimulado a los físicos a reconsiderar su comprensión del universo en un nivel más general, dijo Banks. Anteriormente, los físicos habían asumido que la entropía se escala con el volumen de un sistema, por lo que el vínculo entre el área de la entropía que establecieron Hawking y Bekenstein fue una gran sorpresa.

"En cierto modo, la observación de Hawking condujo a una posible revolución en la forma en que modelamos la naturaleza, punto", dijo Banks. "Parte de eso aún no se ha comprendido. En realidad, no tenemos una teoría tal que todos estén de acuerdo en que es correcta, pero es una especie de gran desafío que supuso el trabajo de Hawking".

Hawking inspiró un pensamiento y una reflexión profundos en más que solo sus compañeros físicos y cosmólogos, por supuesto. Durante décadas, los laicos de todo el mundo se han maravillado de la forma en que Hawking luchó contra su debilitante enfermedad de la neurona motora para hacer descubrimientos revolucionarios y llevar una investigación emocionante a las masas en sus libros más vendidos.

"Fue notable lo resistente que era y lo decidido que estaba", dijo Banks, que conocía a Hawking personalmente. "Esa fue una de las partes más impresionantes de estar cerca de él".


Radiación Hawking

La radiación de Hawking es un fenómeno asociado con los agujeros negros. Los agujeros negros son los objetos más extremos de la naturaleza. Para describir los agujeros negros, imagínese parado en la superficie de la Tierra y saltando. Así que saltas y luego vuelves a caer porque la gravedad te empuja hacia la Tierra. Imagina que saltas aún más fuerte, por lo que la velocidad a la que estás saltando es mayor. Lo que sucederá es que saltarás más, subirás más alto, pero volverás a caer de nuevo a la Tierra. Ahora hay una velocidad particular llamada velocidad de escape y si saltas a esa velocidad lograrás escapar de la gravedad de la Tierra e ir al espacio exterior. Esto es lo que hacen los cohetes, por ejemplo. A esa velocidad, y más alta que esa, lograrás escapar del cuerpo, en este ejemplo, la Tierra, y entrar al espacio exterior.

Pero hay un objeto en particular llamado agujero negro, tal que la velocidad de escape, la velocidad, la velocidad a la que tienes que saltar o disparar tu cohete para escapar de ese objeto, es en realidad más alta que la velocidad de la luz. Eso se llama agujero negro. Por eso la gente dice que ni siquiera la luz puede salir del agujero negro. Como dije antes, los agujeros negros son objetos extremadamente extraños y difíciles de imaginar, precisamente por eso. Para darte una idea de cuán extremos son estos objetos, imagina si la Tierra fuera un agujero negro. ¿Qué aspecto tendría?

Para que la Tierra sea un agujero negro, debes tomar todo lo que hay en la Tierra, toda la Tierra, y aplastarla en una bola de aproximadamente un centímetro y medio de diámetro. Entonces, si pones toda la Tierra en solo esta pequeña bola, eso sería un agujero negro.

Es un objeto tan denso que la gravedad se está volviendo fuerte. O dicho de otra manera, si quieres mantener fijo el tamaño de la Tierra, para que la Tierra sea un agujero negro, su masa tiene que ser dos mil veces la masa del Sol. Y la razón de eso es que la gravedad es, nuevamente, muy fuerte.

Todo lo que he dicho hasta ahora es clásico, pero también sabemos que existen partículas de régimen cuántico en las escalas de longitud muy microscópicas descritas por la física cuántica. La razón por la que la física cuántica debería desempeñar un papel aquí es que los agujeros negros, como dije, son extremos y se encuentran en un régimen en el que tanto la gravedad como la física cuántica son apreciables y no podemos descuidar tampoco. Hay una fuerte gravedad, pero las distancias son tan pequeñas que esperamos que la física cuántica también desempeñe algún papel. Y aquí es donde entra la radiación de Hawking. La radiación de Hawking es quizás el ejemplo más famoso de la interacción entre la gravedad y la física cuántica. Y esta es una de las razones por las que los agujeros negros a veces se denominan laboratorios de gravedad cuántica.

Además del Big Bang, que dio origen al universo, los agujeros negros son los únicos objetos que tenemos en la naturaleza donde podemos probar nuestras ideas sobre la gravedad cuántica.

Entonces, ¿qué es la radiación de Hawking? Bueno, imagina que tienes un agujero negro, y la radiación de Hawking es simplemente la afirmación que dije antes: clásicamente, nada sale de un agujero negro, pero una vez que pones la física cuántica en la imagen, de hecho, los agujeros negros irradian. Emiten energía y esa es la radiación de Hawking. Antes decía: & # 8220 el agujero negro, nada puede salir de un agujero negro & # 8221, ahora digo que algo puede salir de un agujero negro. ¿Dónde está la explicación de esta radiación de Hawking? La explicación es que en física cuántica tienes una forma de describir cuál es la energía de una partícula, y antes de que la estrella colapse tienes una forma de prescripción, de definir la energía. Después de que la estrella colapsa o forma un agujero negro, su espacio ha cambiado. Ya no es el mismo espacio. La estrella se ha convertido en un agujero negro, y eso significa que en la última imagen, cuando tienes un agujero negro, lo que quieres decir con energía es diferente de lo que querías decir con la energía de la partícula antes de que se formara el agujero negro. Y esta relación entre lo que entendiste por energía antes del colapso y lo que entendiste por energía después del colapso es precisamente lo que da lugar a la radiación de Hawking. Entonces, puede pensar en esto como una partícula que se encuentra en el centro de un balancín, y en física cuántica esta partícula fluctuará, y puede pensar en la formación de un agujero negro cuando el balancín cambia repentinamente a una forma diferente. Esas oscilaciones de esta pequeña partícula cambiarán porque estás cambiando el espacio circundante. Esa es esencialmente la explicación de la radiación de Hawking y de dónde proviene.

Esto plantea una cuestión teórica. Las cosas entraron en el agujero negro. El agujero negro irradia y lo único que sabemos sobre esta radiación es la temperatura, que es solo un número. Y ahora no hacemos nada más, y luego el agujero negro desaparece. Pero esto plantea un problema, y ​​la razón por la que esto plantea un problema es que las cosas entran en el agujero negro, la información entra, pero todo lo que obtenemos es un solo número y la masa del agujero negro.

Entonces sabemos la energía total de lo que entró más un solo número que es la temperatura. Y en física cuántica esto no puede suceder. En física cuántica deberíamos poder recuperar la información que ingresó. Esto se llama Unitaridad. Y el rompecabezas asociado con esta falta de información se llama la paradoja de la información.

Un área de investigación actual es explicar con precisión qué sucede con la información, y hay varias propuestas recientemente. Uno de ellos es que la interacción de partículas es importante, y esto cambia el panorama. El escenario simple que les di es modificado por interacciones. Otra propuesta es que hay otras cargas además de la masa, hay otras descripciones del agujero negro que juegan un papel. Y esta es una investigación actual sobre la radiación de Hawking.


Aquí hay una explicación simple de la mayor contribución a la ciencia de Stephen Hawking

El físico matemático y cosmólogo Stephen Hawking fue mejor conocido por su trabajo en la exploración de la relación entre los agujeros negros y la física cuántica.

Un agujero negro es el remanente de una estrella supermasiva moribunda que ha caído sobre sí mismo. Estos remanentes se contraen a un tamaño tan pequeño que la gravedad es tan fuerte que incluso la luz no puede escapar de ellos.

Los agujeros negros ocupan un lugar preponderante en la imaginación popular: los escolares se preguntan por qué el universo entero no se colapsa en uno. Pero el cuidadoso trabajo teórico de Hawking llenó algunos de los agujeros en el conocimiento de los físicos sobre los agujeros negros.

¿Por qué existen los agujeros negros?

La respuesta corta es: porque la gravedad existe y la velocidad de la luz no es infinita.

Imagina que estás parado en la superficie de la Tierra y disparas una bala al aire en ángulo. Tu bala estándar volverá a bajar, a algún lugar más lejano.

Suponga que tiene un rifle muy poderoso. Entonces, es posible que pueda disparar la bala a tal velocidad que, en lugar de descender muy lejos, "fallará" a la Tierra. Continuamente cayendo y perdiendo continuamente la superficie, la bala estará en una órbita alrededor de la Tierra.

Si su rifle es aún más fuerte, la bala puede ser tan rápida que abandone por completo la gravedad de la Tierra. Esto es esencialmente lo que sucede cuando enviamos cohetes a Marte, por ejemplo.

Ahora imagina que la gravedad es mucho, mucho más fuerte. Ningún rifle podría acelerar las balas lo suficiente como para salir de ese planeta, así que decides disparar luz.

Si bien los fotones (las partículas de luz) no tienen masa, todavía están influenciados por la gravedad, y se desvían del mismo modo que la trayectoria de una bala se dobla por la gravedad. Incluso los planetas más pesados ​​no tendrán una gravedad lo suficientemente fuerte como para doblar el camino del fotón lo suficiente como para evitar que se escape.

Pero los agujeros negros no son como planetas o estrellas, son los remanentes de estrellas, agrupados en la más pequeña de las esferas, digamos, de unos pocos kilómetros de radio.

Imagina que pudieras estar parado en la superficie de un agujero negro, armado con tu pistola de rayos. You shoot upwards at an angle and notice that the light ray instead curves, comes down and misses the surface! Now the ray is in an "orbit" around the black hole, at a distance roughly what cosmologists call the Schwarzschild radius, the "point of no return."

Thus, as not even light can escape from where you stand, the object you inhabit (if you could) would look completely black to someone looking at it from far away: a black hole.

But Hawking discovered that black holes aren't completely black?

My previous description of black holes used the language of classical physics – basically, Newton's theory applied to light. But the laws of physics are actually more complicated because the universe is more complicated.

In classical physics, the word "vacuum" means the total and complete absence of any form of matter or radiation.

But in quantum physics, the vacuum is much more interesting, in particular when it is near a black hole. Rather than being empty, the vacuum is teeming with particle-antiparticle pairs that are created fleetingly by the vacuum's energy, but must annihilate each other shortly thereafter and return their energy to the vacuum.

You will find all kinds of particle-antiparticle pairs produced, but the heavier ones occur much more rarely. It's easiest to produce photon pairs because they have no mass. The photons must always be produced in pairs so they're moving away from each other and don't violate the law of momentum conservation.

(SubstituteR/Wikimedia/CC BY-SA)

Now imagine that a pair is created just at that distance from the center of the black hole where the "last light ray" is circulating: the Schwarzschild radius. This distance could be far from the surface or close, depending on how much mass the black hole has.

And imagine that the photon pair is created so that one of the two is pointing inward – toward you, at the center of the black hole, holding your ray gun. The other photon is pointing outward.

(By the way, you'd likely be crushed by gravity if you tried this maneuver, but let's assume you're superhuman.)

Now there's a problem: The one photon that moved inside the black hole cannot come back out, because it's already moving at the speed of light.

The photon pair cannot annihilate each other again and pay back their energy to the vacuum that surrounds the black hole. But somebody must pay the piper and this will have to be the black hole itself.

After it has welcomed the photon into its land of no return, the black hole must return some of its mass back to the universe: the exact same amount of mass as the energy the pair of photons "borrowed," according to Einstein's famous equality E=mc².

This is essentially what Hawking showed mathematically. The photon that is leaving the black hole horizon will make it look as if the black hole had a faint glow: the Hawking radiation named after him.

At the same time he reasoned that if this happens a lot, for a long time, the black hole might lose so much mass that it could disappear altogether (or more precisely, become visible again).

Do black holes make information disappear forever?

Short answer: No, that would be against the law.

Many physicists began worrying about this question shortly after Hawking's discovery of the glow. The concern is this: The fundamental laws of physics guarantee that every process that happens "forward in time," can also happen "backwards in time."

This seems counter to our intuition, where a melon that splattered on the floor would never magically reassemble itself.

But what happens to big objects like melons is really dictated by the laws of statistics. For the melon to reassemble itself, many gazillions of atomic particles would have to do the same thing backwards, and the likelihood of that is essentially zero. But for a single particle this is no problem at all.

So for atomic things, everything you observe forwards could just as likely occur backwards.

Now imagine that you shoot one of two photons into the black hole. They only differ by a marker that we can measure, but that does not affect the energy of the photon (this is called a "polarization").

Let's call these "left photons" or "right photons." After the left or right photon crosses the horizon, the black hole changes (it now has more energy), but it changes in the same way whether the left or right photon was absorbed.

Two different histories now have become one future, and such a future cannot be reversed: How would the laws of physics know which of the two pasts to choose? Left or right? That is the violation of time-reversal invariance. The law requires that every past must have exactly one future, and every future exactly one past.

A pair of photons that annihilate each other is labeled A. In a second pair of photons, labeled B, one enters the black hole while the other heads outward, setting up an energy debt that is paid by the black hole. (Christoph Adami/CC BY-ND)

Some physicists thought that maybe the Hawking radiation carries an imprint of left/right so as to give an outside observer a hint at what the past was, but no. The Hawking radiation comes from that flickering vacuum surrounding the black hole, and has nothing to do with what you throw in.

All seems lost, but not so fast.

In 1917, Albert Einstein showed that matter (even the vacuum next to matter) actually does react to incoming stuff, in a very peculiar way. The vacuum next to that matter is "tickled" to produce a particle-antiparticle pair that looks like an exact copy of what just came in.

In a very real sense, the incoming particle stimulates the matter to create a pair of copies of itself – actually a copy and an anti-copy. Remember, random pairs of particle and antiparticle are created in the vacuum all the time, but the tickled-pairs are not random at all: They look just like the tickler.

This copy process is known as the "stimulated emission" effect and is at the origin of all lasers. The Hawking glow of black holes, on the other hand, is just what Einstein called the "spontaneous emission" effect, taking place near a black hole.

Now imagine that the tickling creates this copy, so that the left photon tickles a left photon pair, and a right photon gives a right photon pair.

Since one partner of the tickled pairs must stay outside the black hole (again from momentum conservation), that particle creates the "memory" that is needed so that information is preserved: One past has only one future, time can be reversed, and the laws of physics are safe.

In a cosmic accident, Hawking died on Einstein's birthday, whose theory of light – it just so happens – saves Hawking's theory of black holes.

Christoph Adami, Professor of Physics and Astronomy & Professor of Microbiology and Molecular Genetics, Michigan State University.

This article was originally published by The Conversation. Read the original article.


2 respuestas 2

The black hole initially lost the gravitational energy that was needed to create the pair. The pair-creation model is a bad description of Hawking radiation, which for macroscopic black holes is really photons. The second particle that gets created above the event horizon doesn't have nearly enough energy to escape. It does, however, produce photons above the event horizon, some of which can escape after being red-shifted very strongly. What we would see is therefor black body radiation escaping, but as long as black holes are much colder than the universe not even that can happen. See http://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation for the details.

According to p. 303-304 of the book Gravity from the Ground up by physicist Bernard Schutz, viewable on google books here, it's because in terms of the pair-production explanation for Hawking radiation, one member of the pair actually has negative energy and thus causes the black hole to lose mass (negative mass/energy falling into a black hole can also cause it to lose mass and decrease in radius in classical general relativity, see the second paragraph of my answer here). From those pages:

Quantum theory allows uncertainties and fluctuations that are not allowed in non-quantum physics. Temporary fluctuations can produce photons of negative energy. In order to preserve the total energy, negative-energy photons form in pairs with positive-energy partners. These pairs almost immediately re-combine and disappear, since the quantum theory has to get rid of the negative-energy photons quickly in order to produce macroscopic physics of positive energy. But negative energy does exist for short times, in these quantum fluctuations.

.

How can black holes emit radiation? It should be no surprise that the answer lies in quantum uncertainty. All over spacetime the quantum electromagnetic field is undergoing the little negative-energy fluctuations that we considered above. Normally they are harmless and invisible, because the negative-energy photons disappear as quickly as they form. But near the horizon of a black hole, it is possible for such a photon to form outside the hole and cross into it.

Once inside, it is actually viable: as we remarked earlier, it is possible to find trajectories for photons inside the horizon that have negative total energy. So such a photon can just stay inside, and that leaves its positive-energy partner outside on its own. It has no choice but to continue moving outwards. It becomes one of the photons of the Hawking radiation.

In this answer John Rennie gives some more explanation of the mathematical derivation of Hawking radiation that this verbal description is meant to serve as shorthand for I'm sure you need a good technical understanding of the mathematics of quantum field theory to really understand it though, verbal descriptions can only give you a flavor.


Respuestas y respuestas

Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes

S. W. Hawking
(Submitted on 22 Jan 2014)
It has been suggested [1] that the resolution of the information paradox for evaporating black holes is that the holes are surrounded by firewalls, bolts of outgoing radiation that would destroy any infalling observer. Such firewalls would break the CPT invariance of quantum gravity and seem to be ruled out on other grounds. A different resolution of the paradox is proposed, namely that gravitational collapse produces apparent horizons but no event horizons behind which information is lost. This proposal is supported by ADS-CFT and is the only resolution of the paradox compatible with CPT. The collapse to form a black hole will in general be chaotic and the dual CFT on the boundary of ADS will be turbulent. Thus, like weather forecasting on Earth, information will effectively be lost, although there would be no loss of unitarity.

Would be interesting to see how Susskind reacts to this.

E: "Black holes do not exist"
Methinks either Hawking is laymanizing or he really wants to get back his Penthouse collection from Thorne.

Here is a review of other considerations against taking event horizons as a very fundamental concept. Visser also notes that Hawking already proposed the non-existence of event horizons in 2004 at GR 17.

http://arxiv.org/abs/0901.4365
Black holes in general relativity
Matt Visser (Victoria University of Wellington)
(Submitted on 28 Jan 2009 (v1), last revised 5 Feb 2009 (this version, v3))

"A common statement that one often encounters in the literature is this:

“Horizons are not detectable with local physics”.

The above statement is, of course, false. Note however, that it is almost true. Two closely related,
but true, statements are:

“Event horizons are sometimes not detectable with local physics”

“Apparent/ dynamical/ trapping horizons are not detectable with ultra-local physics”."


Also, one prominent proposal against an event horizon is the fuzzball proposal, which has been around long before Hawking's latest paper.

http://arxiv.org/abs/hep-th/0502050
The fuzzball proposal for black holes: an elementary review
Samir D. Mathur

Is this not exactly what Susskind has already proposed? Is Hawking merely agreeing (at last) with Susskind or is he proposing something notably different to Susskind?

It seems that Hawking is being given credit for Susskind's work in the press simply by admitting Susskind was right.

Also, one prominent proposal against an event horizon is the fuzzball proposal, which has been around long before Hawking's latest paper.

http://arxiv.org/abs/hep-th/0502050
The fuzzball proposal for black holes: an elementary review
Samir D. Mathur

If there is matter being temporarily held behind the apparent horizon, would not this matter be packed even denser than neutrons? Perhaps the matter, once behind the apparent horizon, has been reduced to quarks due to temperature and pressure.

Also, if the event horizon becomes smaller than the apparent horizon, would not the black hole "radiate" light?

I'm not sure "held" is the right term. I believe the picture that Hawking is presenting is essentially that black holes are regions of space-time with extreme turbulence. This turbulence both makes it take a very long time for matter to re-emerge, and also effectively randomized said matter.

Incidental intelligence:
Nobel physicist Frank Wilczek's comment on the Hawking paper was
"I think the kind thing to do is to pass this over in silence."

Hawking's paper was mentioned briefly at the start of a 24-minute panel discussion of broader topics by three physicists on the 31 January edition of PRI's "Science Friday" program
http://www.sciencefriday.com/segment/01/31/2014/could-there-be-a-crisis-in-physics.html

Lawrence Krauss
Foundation Professor
Director, The ASU Origins Project
Universidad del estado de Arizona

Frank Wilczek
Nobel Laureate in Physics, 2004
Herman Feshbach Professor of Physics
Massachusetts Institute of Technology

Brian Schmidt
Nobel Laureate in Physics, 2011
Professor
Australian National University (Canberra)

Wilczek's comment comes around minute 4:00

The culmination was the celebrated Hawking-Penrose theorem (Hawking and Penrose, 1970), which since then is the singularity theorem par excellence. Sin embargo,
all of the singularity theorems share a well-defined skeleton, the very same pattern. This is, succintly, as follows (Senovilla, 1998a)

Theorem 1 (Pattern Singularity Theorem) If a space-time of sufficient differentiability satisfies

1. a condition on the curvature
2. a causality condition
3. and an appropriate initial and/or boundary condition

then there are null or time-like inextensible incomplete geodesics.

As explained on p. 8, #1 is satisfied as long as the matter field doesn't violate certain energy conditions like the strong energy condition, and p. 5 of this presentation by Matt Visser mentions that the Penrose singularity theorem which is relevant to black holes (as opposed to the Big Bang, which Hawking's dealt with) requires the weak energy condition. Also note that p. 6 of Visser's presentation mentions that the averaged null energy condition (ANEC) is used in the "generalized Penrose singularity theorem" by Roman (which seems to be this paper, which says "we show that Penrose’s singularity theorem will still hold if the weak energy condition is replaced by a weaker (nonlocal) energy condition and if the null generic condition holds"), and that "ANEC is the weakest averaged energy condition in common use." So although quantum fields like those involved in Hawking radiation can violate various energy conditions, it sounds like the conclusion of an inevitable singularity would still apply provided Hawking radiation didn't violate ANEC--I'm not sure if current theory says anything definite about this one way or the other.

#2 is discussed on p. 8 of the paper, they call it the "most reasonable and well-founded condition" and it sounds as though it just means the spacetime doesn't contain closed timelike curves, which wouldn't be expected in any real-world model of conditions where matter was collapsing into a black hole.

On #3, the "boundary condition", the paper says on p. 10 that the most commonly used one is the existence of a "trapped surface", which is different from an event horizon. One such trapped surface would be the apparent horizon, which is defined as the outermost trapped surface around a black hole, and can differ from the event horizon--and Hawking says in the abstract that his proposal involves the claim that "gravitational collapse produces apparent horizons but no event horizons behind which information is lost". So there is no assumption of an event horizon here, only an apparent horizon, which Hawking still assumes would exist.

If I'm understand the above summary of the Penrose-Hawking singularity theorems correctly, it shouldn't be possible in general relativity or semiclassical gravity to have such a trapped surface and to avoid a singularity, at least not unless the spacetime contains closed timelike curves or violates ANEC. It might be that current knowledge doesn't rule out the idea that Hawking radiation violates ANEC and that this means semiclassical gravity alone can give a model where there are no singularities and no true event horizons, but I doubt Hawking was trying to argue for such a purely semiclassical explanation, since he doesn't even mention energy conditions in his paper.


Ver el vídeo: Agujeros Negros, Entropía y Radiación de Hawking (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Hariman

    Las nuevas publicaciones, en mi humilde opinión, son demasiado raras en estos días :)

  2. Garai

    el mensaje autoritario :)

  3. Shaiming

    Qué palabras admirables

  4. Dewayne

    Felicidades)))

  5. Tojale

    ¡Sin conversaciones!

  6. Lele

    También noté esto a veces, pero de alguna manera no le di ninguna importancia antes.

  7. Stoc

    Escribir más suscrito



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