תרמודינמיקה של חורים שחורים וקרינת הוקינג

חורים שחורים מתנהגים כאובייקטים תרמודינמיים: שטח האופק שלהם ממלא את תפקיד האנטרופיה וגרביטציית הפנים שלהם ממלאת את תפקיד הטמפרטורה, והחישוב הקוונטי של הוקינג הראה שהם אכן קורנים ומתאדים באיטיות.

Definition

תרמודינמיקה של חורים שחורים היא המסגרת שבה לחור שחור מיוחסת אנטרופיה השווה לרבע משטח האופק שלו ביחידות פלאנק וטמפרטורה פרופורציונלית לגרביטציית הפנים שלו, כאשר קרינת הוקינג היא הפליטה התרמית שהופכת את הפרשנות התרמודינמית הזו לפיזיקלית.

Scope

נושא זה מכסה את ארבעת החוקים של מכניקת חורים שחורים ואת האנלוגיה שלהם לתרמודינמיקה, את אנטרופיית בקנשטיין-הוקינג הפרופורציונלית לשטח האופק, את טמפרטורת הוקינג וההתאדות, את החוק השני המוכלל, ואת החידות העמוקות, פרדוקס האינפורמציה והמקור המיקרוסקופי של אנטרופיית חורים שחורים, שתוצאות אלו מעלות.

Core questions

• מדוע שטח האופק של חור שחור מתנהג כאנטרופיה?
• כיצד תורת הקוונטים גורמת לחור שחור לפלוט קרינה תרמית?
• מה מגלה פרדוקס האינפורמציה על הקונפליקט בין כבידה למכניקת קוונטים?

Key concepts

• ארבעת החוקים של מכניקת חורים שחורים
• אנטרופיית בקנשטיין-הוקינג
• טמפרטורת הוקינג
• התאדות חורים שחורים
• החוק השני המוכלל
• פרדוקס האינפורמציה

Key theories

חוקי מכניקת חורים שחורים ואנטרופיה

שטח האופק של חור שחור אינו פוחת לעולם ומציית לחוקים זהים מבחינה מבנית לחוקי התרמודינמיקה, מה שהוביל את בקנשטיין להציע ששטח פרופורציונלי לאנטרופיה, ובהמשך תוקן במדויק על ידי חישוב הטמפרטורה של הוקינג.

קרינת הוקינג

על ידי יישום תורת השדות הקוונטית למרחב-זמן העקום ליד אופק, הוקינג הראה שחור שחור פולט ספקטרום תרמי בטמפרטורה ביחס הפוך למסתו, וכך הוא מאבד אנרגיה ומתאדה בסופו של דבר.

Clinical relevance

תרמודינמיקה של חורים שחורים היא נקודת המפגש הידועה הברורה ביותר של כבידה, תורת הקוונטים ומכניקה סטטיסטית; חוק האנטרופיה-שטח מניע את העיקרון ההולוגרפי ואת ספירות המיקרו-מצבים של תורת המיתרים, ופרדוקס האינפורמציה מכוון חלק ניכר מהמחקר הנוכחי לעבר תורת כבידה קוונטית.

History

בשנים 1972-1973 טען בקנשטיין שחורים שחורים חייבים לשאת אנטרופיה פרופורציונלית לשטח כדי להציל את החוק השני, בעוד שברדין, קרטר והוקינג ניסחו רשמית את חוקי מכניקת חורים שחורים; גילויו של הוקינג בשנים 1974-1975 של פליטה תרמית הפך את האנלוגיה לתרמודינמיקה אמיתית ופתח את פרדוקס האינפורמציה.

Debates

פרדוקס האינפורמציה של חורים שחורים

אם התאדות מייצרת קרינה תרמית טהורה, המידע על מה שיצר את החור השחור נראה אבוד, מה שסותר את יוניטריות הקוונטים; הצעות מהולוגרפיה והתאמת AdS/CFT ועד לחישובי איים אחרונים מצביעות על כך שהמידע נשמר, אך לא הוקם מנגנון מוסכם.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

האם נצפתה קרינת הוקינג?

לא מחור שחור אסטרופיזיקלי; הטמפרטורה החזויה עבור חורים שחורים כוכביים וגדולים יותר נמוכה בהרבה מרקע הקרינה הקוסמית, מה שהופך אותה לבלתי ניתנת לזיהוי, אם כי מערכות אנלוגיות מעבדתיות שחזרו את האפקט הבסיסי עבור אופקים קשורים.

מדוע חורים שחורים קטנים קורנים חזק יותר?

טמפרטורת הוקינג ביחס הפוך למסה, ולכן חורים שחורים קטנים יותר חמים יותר ומתאדים מהר יותר, ומסיימים את חייהם בהתפרצות עזה, בעוד שחורים שחורים גדולים קרים ביותר ומתאדים בפרקי זמן העולים בהרבה על גיל היקום.