Mustien aukkojen termodynamiikka ja Hawkingin säteily

Mustat aukot käyttäytyvät kuin termodynaamiset objektit: niiden horisontin pinta-ala toimii entropiana ja niiden pintagravitaatio lämpötilana, ja Hawkingin kvanttilaskelmat osoittivat niiden todella säteilevän ja haihtuvan hitaasti.

Definition

Mustan aukon termodynamiikka on viitekehys, jossa mustalle aukolle määritetään entropia, joka on neljäsosa sen horisontin pinta-alasta Planckin yksiköissä, ja lämpötila, joka on verrannollinen sen pintagravitaatioon, ja Hawkingin säteily on terminen emissio, joka tekee tästä termodynaamisesta tulkinnasta fysikaalisen.

Scope

Tämä aihe kattaa mustan aukon mekaniikan neljä lakia ja niiden analogian termodynamiikan kanssa, horisontin pinta-alaan verrannollisen Bekenstein–Hawking-entropian, Hawkingin lämpötilan ja haihtumisen, yleistetyn toisen lain sekä syvät ongelmat, informaatioparadoksin ja mustan aukon entropian mikroskooppisen alkuperän, jotka nämä tulokset nostattavat.

Core questions

• Miksi mustan aukon horisontin pinta-ala käyttäytyy kuin entropia?
• Miten kvanttiteoria saa mustan aukon emittoimaan lämpösäteilyä?
• Mitä informaatioparadoksi paljastaa painovoiman ja kvanttimekaniikan välisestä ristiriidasta?

Key concepts

• Mustan aukon mekaniikan neljä lakia
• Bekenstein–Hawking-entropia
• Hawkingin lämpötila
• Mustan aukon haihtuminen
• Yleistetty toinen laki
• Informaatioparadoksi

Key theories

Mustan aukon mekaniikan lait ja entropia

Mustan aukon horisontin pinta-ala ei koskaan pienene ja noudattaa lakeja, jotka ovat rakenteellisesti identtisiä termodynamiikan lakien kanssa, mikä johti Bekensteinin ehdotukseen, että pinta-ala on verrannollinen entropiaan, ja jonka Hawkingin lämpötilalaskelma myöhemmin tarkensi.

Hawkingin säteily

Soveltaessaan kvanttikenttäteoriaa kaarevaan aika-avaruuteen horisontin lähellä Hawking osoitti, että musta aukko emittoi lämpöspektrin lämpötilassa, joka on kääntäen verrannollinen sen massaan, joten se menettää energiaa ja lopulta haihtuu.

Clinical relevance

Mustan aukon termodynamiikka on tunnetuin painovoiman, kvanttiteorian ja tilastollisen mekaniikan kohtaamispiste; entropia-pinta-ala-laki motivoi holografista periaatetta ja säieteorian mikrotilojen laskentaa, ja informaatioparadoksi ohjaa suurta osaa nykyisestä tutkimuksesta kohti painovoiman kvanttiteoriaa.

History

Vuosina 1972–1973 Bekenstein väitti, että mustilla aukoilla on oltava entropia, joka on verrannollinen pinta-alaan toisen lain pelastamiseksi, kun taas Bardeen, Carter ja Hawking formalisoivat mustan aukon mekaniikan lait; Hawkingin vuosien 1974–1975 löytö termisestä emissiosta muutti analogian aidoksi termodynamiikaksi ja avasi informaatioparadoksin.

Debates

Mustan aukon informaatioparadoksi

Jos haihtuminen tuottaa puhtaasti lämpösäteilyä, mustan aukon muodostaneesta informaatiosta näyttää kadonneen, mikä on ristiriidassa kvanttiunitaarisuuden kanssa; ehdotukset holografiasta ja AdS/CFT-korrespondenssista viimeaikaisiin saarilaskelmiin viittaavat siihen, että informaatio säilyy, mutta vakiintunutta mekanismia ei ole.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Onko Hawkingin säteilyä havaittu?

Ei astrofysikaalisesta mustasta aukosta; ennustettu lämpötila tähden kokoisille ja suuremmille mustille aukoille on paljon kosmisia mikroaaltotaustoja alhaisempi, mikä tekee siitä havaitsemattoman, vaikka laboratorioanalogijärjestelmät ovat toistaneet taustalla olevan vaikutuksen vastaaville horisonteille.

Miksi pienet mustat aukot säteilevät voimakkaammin?

Hawkingin lämpötila on kääntäen verrannollinen massaan, joten pienemmät mustat aukot ovat kuumempia ja haihtuvat nopeammin päättäen elämänsä intensiiviseen purkaukseen, kun taas suuret mustat aukot ovat erittäin kylmiä ja haihtuvat aikaskaaloilla, jotka ylittävät huomattavasti maailmankaikkeuden iän.