Mustade aukude termodünaamika ja Hawkingi kiirgus

Mustad augud käituvad termodünaamiliste objektidena: nende horisondi pindala täidab entroopia rolli ja pinna gravitatsioon temperatuuri rolli ning Hawkingi kvantmehaaniline arvutus näitas, et need kiirgavad ja aurustuvad aeglaselt.

Definition

Musta augu termodünaamika on raamistik, milles mustale augule omistatakse entroopia, mis võrdub veerandiga selle horisondi pindalast Plancki ühikutes, ja temperatuur, mis on proportsionaalne selle pinna gravitatsiooniga, kusjuures Hawkingi kiirgus on termiline emissioon, mis muudab selle termodünaamilise tõlgenduse füüsiliseks.

Scope

See teema hõlmab mustade aukude mehaanika nelja seadust ja nende analoogiat termodünaamikaga, Bekensteini-Hawkingi entroopiat, mis on proportsionaalne horisondi pindalaga, Hawkingi temperatuuri ja aurustumist, üldistatud teist seadust ning sügavaid mõistatusi, informatsiooniparadoksi ja musta augu entroopia mikroskoopilist päritolu, mida need tulemused esile toovad.

Core questions

• Miks käitub musta augu horisondi pindala nagu entroopia?
• Kuidas põhjustab kvantteooria musta augu termilise kiirguse eraldumist?
• Mida paljastab informatsiooniparadoks gravitatsiooni ja kvantmehaanika vahelisest konfliktist?

Key concepts

• Mustade aukude mehaanika neli seadust
• Bekensteini-Hawkingi entroopia
• Hawkingi temperatuur
• Musta augu aurustumine
• Üldistatud teine seadus
• Informatsiooniparadoks

Key theories

Mustade aukude mehaanika ja entroopia seadused

Musta augu horisondi pindala ei vähene kunagi ja see allub seadustele, mis on struktuurilt identsed termodünaamika seadustega, mis viis Bekensteini ettepanekuni, et pindala on proportsionaalne entroopiaga, mille täpsustas hiljem Hawkingi temperatuuri arvutus.

Hawkingi kiirgus

Rakendades kvantväljateooriat horisondi lähedal asuvale kõverale aegruumile, näitas Hawking, et must auk kiirgab termilist spektrit temperatuuril, mis on pöördvõrdeline selle massiga, nii et see kaotab energiat ja aurustub lõpuks.

Clinical relevance

Musta augu termodünaamika on tuntuim gravitatsiooni, kvantteooria ja statistilise mehaanika kohtumispunkt; entroopia-pindala seadus motiveerib holograafilist printsiipi ja stringiteooria mikroolekute loendusi ning informatsiooniparadoks suunab suurt osa praegusest uurimistööst kvantgravitatsiooni teooria poole.

History

Aastatel 1972–1973 väitis Bekenstein, et mustad augud peavad entroopia teise seaduse päästmiseks kandma pindalaga proportsionaalset entroopiat, samal ajal kui Bardeen, Carter ja Hawking formaliseerisid mustade aukude mehaanika seadused; Hawkingi 1974.–1975. aasta avastus termilisest emissioonist muutis analoogia tõeliseks termodünaamikaks ja avas informatsiooniparadoksi.

Debates

Musta augu informatsiooniparadoks

Kui aurustumine tekitab puhtalt termilist kiirgust, näib informatsioon musta augu moodustanud asja kohta olevat kadunud, mis on vastuolus kvantunitaarsusega; ettepanekud holograafiast ja AdS/CFT vastavusest kuni hiljutiste saarearvutusteni viitavad informatsiooni säilimisele, kuid konsensuslikku mehhanismi pole veel kindlaks tehtud.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Kas Hawkingi kiirgust on vaadeldud?

Mitte astrofüüsilisest mustast august; ennustatud temperatuur tähe- ja suuremate mustade aukude puhul on tunduvalt madalam kui kosmilise mikrolaine taustkiirgus, muutes selle tuvastamatuks, kuigi laboratoorsed analoogsüsteemid on reprodutseerinud aluseks oleva efekti seotud horisontide jaoks.

Miks kiirgavad väikesed mustad augud tugevamalt?

Hawkingi temperatuur on pöördvõrdeline massiga, seega on väiksemad mustad augud kuumemad ja aurustuvad kiiremini, lõpetades oma elu intensiivse purskega, samas kui suured mustad augud on äärmiselt külmad ja aurustuvad ajaskaaladel, mis ületavad tunduvalt universumi vanust.