Θερμοδυναμική των Μαύρων Οπών και Ακτινοβολία Χόκινγκ

Οι μαύρες τρύπες συμπεριφέρονται ως θερμοδυναμικά αντικείμενα: η επιφάνεια του ορίζοντά τους παίζει τον ρόλο της εντροπίας και η επιφανειακή τους βαρύτητα τον ρόλο της θερμοκρασίας, και ο κβαντικός υπολογισμός του Χόκινγκ έδειξε ότι πράγματι ακτινοβολούν και εξατμίζονται αργά.

Definition

Η θερμοδυναμική των μαύρων οπών είναι το πλαίσιο στο οποίο σε μια μαύρη τρύπα αποδίδεται μια εντροπία ίση με το ένα τέταρτο της επιφάνειας του ορίζοντά της σε μονάδες Planck και μια θερμοκρασία ανάλογη της επιφανειακής της βαρύτητας, με την ακτινοβολία Χόκινγκ να είναι η θερμική εκπομπή που καθιστά αυτή τη θερμοδυναμική ερμηνεία φυσική.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τους τέσσερις νόμους της μηχανικής των μαύρων οπών και την αναλογία τους με τη θερμοδυναμική, την εντροπία Bekenstein-Hawking που είναι ανάλογη της επιφάνειας του ορίζοντα, τη θερμοκρασία και εξάτμιση του Χόκινγκ, τον γενικευμένο δεύτερο νόμο, και τα βαθιά αινίγματα, το παράδοξο της πληροφορίας και την μικροσκοπική προέλευση της εντροπίας των μαύρων οπών, που εγείρουν αυτά τα αποτελέσματα.

Core questions

• Γιατί η επιφάνεια του ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας συμπεριφέρεται σαν εντροπία;
• Πώς η κβαντική θεωρία προκαλεί σε μια μαύρη τρύπα να εκπέμπει θερμική ακτινοβολία;
• Τι αποκαλύπτει το παράδοξο της πληροφορίας σχετικά με τη σύγκρουση μεταξύ βαρύτητας και κβαντομηχανικής;

Key concepts

• Τέσσερις νόμοι της μηχανικής των μαύρων οπών
• Εντροπία Bekenstein-Hawking
• Θερμοκρασία Χόκινγκ
• Εξάτμιση μαύρης τρύπας
• Γενικευμένος δεύτερος νόμος
• Παράδοξο της πληροφορίας

Key theories

Νόμοι της μηχανικής των μαύρων οπών και εντροπία

Η επιφάνεια του ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας δεν μειώνεται ποτέ και υπακούει σε νόμους δομικά ταυτόσημους με τους νόμους της θερμοδυναμικής, οδηγώντας τον Bekenstein να προτείνει ότι η επιφάνεια είναι ανάλογη της εντροπίας, κάτι που αργότερα καθορίστηκε με ακρίβεια από τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του Hawking.

Ακτινοβολία Χόκινγκ

Εφαρμόζοντας την κβαντική θεωρία πεδίου στον καμπύλο χωροχρόνο κοντά σε έναν ορίζοντα, ο Hawking έδειξε ότι μια μαύρη τρύπα εκπέμπει ένα θερμικό φάσμα σε θερμοκρασία αντιστρόφως ανάλογη της μάζας της, οπότε χάνει ενέργεια και τελικά εξατμίζεται.

Clinical relevance

Η θερμοδυναμική των μαύρων οπών είναι το σαφέστερο γνωστό σημείο συνάντησης της βαρύτητας, της κβαντικής θεωρίας και της στατιστικής μηχανικής· ο νόμος εντροπίας-επιφάνειας παρακινεί την ολογραφική αρχή και τους υπολογισμούς μικροκαταστάσεων της θεωρίας χορδών, και το παράδοξο της πληροφορίας καθοδηγεί μεγάλο μέρος της τρέχουσας έρευνας προς μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

History

Το 1972-1973 ο Bekenstein υποστήριξε ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει να φέρουν εντροπία ανάλογη της επιφάνειας για να σωθεί ο δεύτερος νόμος, ενώ οι Bardeen, Carter και Hawking επισημοποίησαν τους νόμους της μηχανικής των μαύρων οπών· η ανακάλυψη του Hawking το 1974-1975 για τη θερμική εκπομπή μετέτρεψε την αναλογία σε γνήσια θερμοδυναμική και άνοιξε το παράδοξο της πληροφορίας.

Debates

Το παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας

Εάν η εξάτμιση παράγει καθαρά θερμική ακτινοβολία, η πληροφορία για το τι σχημάτισε τη μαύρη τρύπα φαίνεται να χάνεται, αντιφάσκοντας με την κβαντική μοναδικότητα· προτάσεις από την ολογραφία και την αντιστοιχία AdS/CFT έως τους πρόσφατους υπολογισμούς νησιών υποδηλώνουν ότι η πληροφορία διατηρείται, αλλά δεν έχει καθιερωθεί κανένας μηχανισμός συναίνεσης.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Έχει παρατηρηθεί η ακτινοβολία Χόκινγκ;

Όχι από μια αστροφυσική μαύρη τρύπα· η προβλεπόμενη θερμοκρασία για αστρικές και μεγαλύτερες μαύρες τρύπες είναι πολύ κάτω από το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, καθιστώντας την μη ανιχνεύσιμη, αν και εργαστηριακά αναλογικά συστήματα έχουν αναπαράγει το υποκείμενο φαινόμενο για σχετικούς ορίζοντες.

Γιατί οι μικρές μαύρες τρύπες ακτινοβολούν πιο έντονα;

Η θερμοκρασία Χόκινγκ είναι αντιστρόφως ανάλογη της μάζας, οπότε οι μικρότερες μαύρες τρύπες είναι θερμότερες και εξατμίζονται γρηγορότερα, τερματίζοντας τη ζωή τους με μια έντονη έκρηξη, ενώ οι μεγάλες μαύρες τρύπες είναι εξαιρετικά ψυχρές και εξατμίζονται σε χρονικές κλίμακες που υπερβαίνουν κατά πολύ την ηλικία του σύμπαντος.