الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء وإشعاع هوكينغ
تتصرف الثقوب السوداء كأجسام ديناميكية حرارية: تلعب مساحة أفقها دور الإنتروبيا، وتلعب جاذبيتها السطحية دور درجة الحرارة، وقد أظهر حساب هوكينغ الكمومي أنها تشع بالفعل وتتبخر ببطء.
Definition
ديناميكا حرارية الثقب الأسود هي الإطار الذي يُنسب فيه إلى الثقب الأسود إنتروبيا تساوي ربع مساحة أفقه بوحدات بلانك ودرجة حرارة تتناسب مع جاذبيته السطحية، مع إشعاع هوكينغ وهو الانبعاث الحراري الذي يجعل هذا التفسير الديناميكي الحراري ماديًا.
Scope
يغطي هذا الموضوع القوانين الأربعة لميكانيكا الثقوب السوداء وتناظرها مع الديناميكا الحرارية، وإنتروبيا بيكنشتاين-هوكينغ المتناسبة مع مساحة الأفق، ودرجة حرارة هوكينغ والتبخر، والقانون الثاني المعمم، والألغاز العميقة، ومفارقة المعلومات والأصل المجهري لإنتروبيا الثقب الأسود، التي تثيرها هذه النتائج.
Core questions
- لماذا تتصرف مساحة أفق الثقب الأسود كإنتروبيا؟
- كيف تتسبب النظرية الكمومية في انبعاث الثقب الأسود للإشعاع الحراري؟
- ماذا تكشف مفارقة المعلومات عن الصراع بين الجاذبية وميكانيكا الكم؟
Key concepts
- القوانين الأربعة لميكانيكا الثقب الأسود
- إنتروبيا بيكنشتاين-هوكينغ
- درجة حرارة هوكينغ
- تبخر الثقب الأسود
- القانون الثاني المعمم
- مفارقة المعلومات
Key theories
- قوانين ميكانيكا الثقب الأسود والإنتروبيا
- لا تتناقص مساحة أفق الثقب الأسود أبدًا وتتبع قوانين مطابقة هيكليًا لقوانين الديناميكا الحرارية، مما دفع بيكنشتاين إلى اقتراح أن المساحة تتناسب مع الإنتروبيا، والتي تم تحديدها بدقة لاحقًا بواسطة حساب درجة حرارة هوكينغ.
- إشعاع هوكينغ
- بتطبيق نظرية الحقل الكمومي على الزمكان المنحني بالقرب من الأفق، أظهر هوكينغ أن الثقب الأسود ينبعث طيفًا حراريًا عند درجة حرارة تتناسب عكسيًا مع كتلته، وبالتالي يفقد الطاقة ويتبخر في النهاية.
Clinical relevance
تُعد ديناميكا حرارة الثقب الأسود أوضح نقطة التقاء معروفة بين الجاذبية، والنظرية الكمومية، والميكانيكا الإحصائية؛ فقانون الإنتروبيا-المساحة يحفز مبدأ الهولوغرافيا وحسابات نظرية الأوتار للحالات المجهرية، وتوجه مفارقة المعلومات الكثير من الأبحاث الحالية نحو نظرية كمومية للجاذبية.
History
في 1972-1973، جادل بيكنشتاين بأن الثقوب السوداء يجب أن تحمل إنتروبيا تتناسب مع المساحة لإنقاذ القانون الثاني، بينما قام باردين وكارتر وهوكينغ بصياغة قوانين ميكانيكا الثقوب السوداء؛ وقد حول اكتشاف هوكينغ في 1974-1975 للانبعاث الحراري التناظر إلى ديناميكا حرارية حقيقية وفتح مفارقة المعلومات.
Debates
- مفارقة معلومات الثقب الأسود
- إذا كان التبخر ينتج إشعاعًا حراريًا بحتًا، فإن المعلومات حول ما شكل الثقب الأسود تبدو مفقودة، مما يتناقض مع وحدوية الكم؛ وتشير المقترحات من الهولوغرافيا وتطابق AdS/CFT إلى الحسابات الحديثة للجزر إلى أن المعلومات محفوظة، ولكن لم يتم إثبات آلية متفق عليها.
Key figures
- Jacob Bekenstein
- Stephen Hawking
- Brandon Carter
- James Bardeen
Related topics
Seminal works
- bekenstein1973
- hawking1975
Frequently asked questions
- هل تم رصد إشعاع هوكينغ؟
- لم يتم رصده من ثقب أسود فلكي؛ فدرجة الحرارة المتوقعة للثقوب السوداء النجمية والأكبر بكثير أقل من خلفية الميكروويف الكونية، مما يجعلها غير قابلة للكشف، على الرغم من أن أنظمة المحاكاة المخبرية قد أعادت إنتاج التأثير الأساسي للآفاق ذات الصلة.
- لماذا تشع الثقوب السوداء الصغيرة بقوة أكبر؟
- تتناسب درجة حرارة هوكينغ عكسيًا مع الكتلة، لذا فإن الثقوب السوداء الأصغر تكون أكثر سخونة وتتبخر بشكل أسرع، لتنهي حياتها في انفجار شديد، بينما الثقوب السوداء الكبيرة تكون باردة للغاية وتتبخر على مدى زمني يتجاوز بكثير عمر الكون.