Termodynamik for sorte huller og Hawkingstråling

Sorte huller opfører sig som termodynamiske objekter: deres horisontareal spiller rollen som entropi, og deres overfladegravitation spiller rollen som temperatur, og Hawkings kvanteberegning viste, at de faktisk udstråler og langsomt fordamper.

Definition

Termodynamik for sorte huller er den ramme, hvori et sort hul tildeles en entropi lig med en fjerdedel af dets horisontareal i Planck-enheder og en temperatur proportional med dets overfladegravitation, hvor Hawkingstråling er den termiske emission, der gør denne termodynamiske fortolkning fysisk.

Scope

Dette emne dækker de fire love for sorte hullers mekanik og deres analogi med termodynamik, Bekenstein-Hawking-entropien, der er proportional med horisontarealet, Hawking-temperaturen og fordampningen, den generaliserede anden lov og de dybe gåder, informationsparadokset og den mikroskopiske oprindelse af sorte hullers entropi, som disse resultater rejser.

Core questions

• Hvorfor opfører et sort huls horisontareal sig som en entropi?
• Hvordan får kvanteteori et sort hul til at udsende termisk stråling?
• Hvad afslører informationsparadokset om konflikten mellem gravitation og kvantemekanik?

Key concepts

• Fire love for sorte hullers mekanik
• Bekenstein-Hawking-entropi
• Hawking-temperatur
• Fordampning af sorte huller
• Generaliseret anden lov
• Informationsparadoks

Key theories

Love for sorte hullers mekanik og entropi

Et sort huls horisontareal aftager aldrig og adlyder love, der er strukturelt identiske med termodynamikkens love, hvilket fik Bekenstein til at foreslå, at areal er proportionalt med entropi, senere præcist fastlagt af Hawkings temperaturberegning.

Hawkingstråling

Ved at anvende kvantefeltteori på den krumme rumtid nær en horisont viste Hawking, at et sort hul udsender et termisk spektrum ved en temperatur, der er omvendt proportional med dets masse, så det mister energi og til sidst fordamper.

Clinical relevance

Termodynamik for sorte huller er det tydeligste kendte mødested for gravitation, kvanteteori og statistisk mekanik; entropi-areal-loven motiverer det holografiske princip og strengteoriens tællinger af mikrotilstande, og informationsparadokset leder meget af den nuværende forskning mod en kvanteteori om gravitation.

History

I 1972-1973 argumenterede Bekenstein for, at sorte huller må bære entropi proportionalt med areal for at redde den anden lov, mens Bardeen, Carter og Hawking formaliserede lovene for sorte hullers mekanik; Hawkings opdagelse i 1974-1975 af termisk emission forvandlede analogien til ægte termodynamik og åbnede informationsparadokset.

Debates

Informationsparadokset for sorte huller

Hvis fordampning producerer rent termisk stråling, synes informationen om, hvad der dannede det sorte hul, at være tabt, hvilket modsiger kvanteunitaritet; forslag fra holografi og AdS/CFT-korrespondensen til nylige ø-beregninger antyder, at information bevares, men ingen konsensusmekanisme er etableret.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Er Hawkingstråling blevet observeret?

Ikke fra et astrofysisk sort hul; den forudsagte temperatur for stjerne- og større sorte huller er langt under den kosmiske mikrobølgebaggrund, hvilket gør den uopdagelig, selvom laboratorieanaloge systemer har reproduceret den underliggende effekt for relaterede horisonter.

Hvorfor udstråler små sorte huller stærkere?

Hawking-temperaturen er omvendt proportional med massen, så mindre sorte huller er varmere og fordamper hurtigere og afslutter deres liv i et intenst udbrud, hvorimod store sorte huller er ekstremt kolde og fordamper over tidsskalaer, der langt overstiger universets alder.