Termodynamika černých děr a Hawkingovo záření

Černé díry se chovají jako termodynamické objekty: plocha jejich horizontu hraje roli entropie a jejich povrchová gravitace roli teploty, a Hawkingův kvantový výpočet ukázal, že skutečně vyzařují a pomalu se vypařují.

Definition

Termodynamika černých děr je rámec, v němž je černé díře přiřazena entropie rovná čtvrtině plochy jejího horizontu v Planckových jednotkách a teplota úměrná její povrchové gravitaci, přičemž Hawkingovo záření je tepelné vyzařování, které tuto termodynamickou interpretaci činí fyzikální.

Scope

Toto téma zahrnuje čtyři zákony mechaniky černých děr a jejich analogii s termodynamikou, Bekensteinovu-Hawkingovu entropii úměrnou ploše horizontu, Hawkingovu teplotu a vypařování, zobecněný druhý zákon a hluboké záhady, informační paradox a mikroskopický původ entropie černých děr, které tyto výsledky vyvolávají.

Core questions

• Proč se plocha horizontu černé díry chová jako entropie?
• Jak kvantová teorie způsobuje, že černá díra vyzařuje tepelné záření?
• Co odhaluje informační paradox o konfliktu mezi gravitací a kvantovou mechanikou?

Key concepts

• Čtyři zákony mechaniky černých děr
• Bekensteinova-Hawkingova entropie
• Hawkingova teplota
• Vypařování černých děr
• Zobecněný druhý zákon
• Informační paradox

Key theories

Zákony mechaniky černých děr a entropie

Plocha horizontu černé díry se nikdy nezmenšuje a řídí se zákony strukturně identickými se zákony termodynamiky, což vedlo Bekensteina k návrhu, že plocha je úměrná entropii, později přesně stanoveno Hawkingovým výpočtem teploty.

Hawkingovo záření

Aplikací kvantové teorie pole na zakřivený časoprostor v blízkosti horizontu Hawking ukázal, že černá díra vyzařuje tepelné spektrum při teplotě nepřímo úměrné její hmotnosti, takže ztrácí energii a nakonec se vypařuje.

Clinical relevance

Termodynamika černých děr je nejjasnějším známým styčným bodem gravitace, kvantové teorie a statistické mechaniky; zákon entropie-plochy motivuje holografický princip a výpočty mikrostavů strunové teorie a informační paradox vede velkou část současného výzkumu směrem ke kvantové teorii gravitace.

History

V letech 1972-1973 Bekenstein argumentoval, že černé díry musí nést entropii úměrnou ploše, aby zachránily druhý zákon, zatímco Bardeen, Carter a Hawking formalizovali zákony mechaniky černých děr; Hawkingův objev tepelného záření v letech 1974-1975 proměnil analogii ve skutečnou termodynamiku a otevřel informační paradox.

Debates

Informační paradox černé díry

Pokud vypařování produkuje čistě tepelné záření, informace o tom, co černou díru vytvořilo, se zdají být ztraceny, což je v rozporu s kvantovou unitaritou; návrhy od holografie a korespondence AdS/CFT po nedávné výpočty ostrovů naznačují, že informace jsou zachovány, ale není zaveden žádný konsensuální mechanismus.

Key figures

• Jacob Bekenstein
• Stephen Hawking
• Brandon Carter
• James Bardeen

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Bylo pozorováno Hawkingovo záření?

Ne z astrofyzikální černé díry; předpokládaná teplota pro hvězdné a větší černé díry je daleko pod kosmickým mikrovlnným pozadím, což ji činí nezjistitelnou, ačkoli laboratorní analogové systémy reprodukovaly základní efekt pro související horizonty.

Proč malé černé díry vyzařují silněji?

Hawkingova teplota je nepřímo úměrná hmotnosti, takže menší černé díry jsou teplejší a vypařují se rychleji, čímž končí svůj život intenzivním výbuchem, zatímco velké černé díry jsou extrémně chladné a vypařují se po časových škálách výrazně přesahujících stáří vesmíru.