Termodinamika Lubang Hitam dan Radiasi Hawking

Lubang hitam berperilaku sebagai objek termodinamika: luas horizonnya berperan sebagai entropi dan gravitasi permukaannya berperan sebagai suhu, dan perhitungan kuantum Hawking menunjukkan bahwa lubang hitam memang memancarkan radiasi dan perlahan menguap.

Definition

Termodinamika lubang hitam adalah kerangka di mana lubang hitam diberi entropi yang sama dengan seperempat luas horizonnya dalam satuan Planck dan suhu yang sebanding dengan gravitasi permukaannya, dengan radiasi Hawking sebagai emisi termal yang membuat interpretasi termodinamika ini menjadi fisik.

Scope

Topik ini mencakup empat hukum mekanika lubang hitam dan analoginya dengan termodinamika, entropi Bekenstein-Hawking yang sebanding dengan luas horizon, suhu dan penguapan Hawking, hukum kedua yang digeneralisasi, serta teka-teki mendalam, paradoks informasi dan asal mikroskopis entropi lubang hitam, yang ditimbulkan oleh hasil-hasil ini.

Core questions

• Mengapa luas horizon lubang hitam berperilaku seperti entropi?
• Bagaimana teori kuantum menyebabkan lubang hitam memancarkan radiasi termal?
• Apa yang diungkapkan paradoks informasi tentang konflik antara gravitasi dan mekanika kuantum?

Key concepts

• Empat hukum mekanika lubang hitam
• Entropi Bekenstein-Hawking
• Suhu Hawking
• Penguapan lubang hitam
• Hukum kedua yang digeneralisasi
• Paradoks informasi

Key theories

Hukum mekanika lubang hitam dan entropi

Luas horizon lubang hitam tidak pernah berkurang dan mematuhi hukum yang secara struktural identik dengan hukum termodinamika, yang membuat Bekenstein mengusulkan bahwa luas sebanding dengan entropi, yang kemudian diperbaiki secara tepat oleh perhitungan suhu Hawking.

Radiasi Hawking

Menerapkan teori medan kuantum pada ruang-waktu melengkung di dekat horizon, Hawking menunjukkan bahwa lubang hitam memancarkan spektrum termal pada suhu yang berbanding terbalik dengan massanya, sehingga ia kehilangan energi dan akhirnya menguap.

Clinical relevance

Termodinamika lubang hitam adalah titik temu paling jelas yang diketahui antara gravitasi, teori kuantum, dan mekanika statistik; hukum entropi-luas memotivasi prinsip holografik dan perhitungan mikrostata teori string, dan paradoks informasi memandu banyak penelitian saat ini menuju teori gravitasi kuantum.

History

Pada tahun 1972-1973 Bekenstein berpendapat bahwa lubang hitam harus memiliki entropi yang sebanding dengan luas untuk menyelamatkan hukum kedua, sementara Bardeen, Carter, dan Hawking memformalkan hukum mekanika lubang hitam; penemuan emisi termal oleh Hawking pada tahun 1974-1975 mengubah analogi menjadi termodinamika sejati dan membuka paradoks informasi.

Debates

Paradoks informasi lubang hitam

Jika penguapan menghasilkan radiasi yang murni termal, informasi tentang apa yang membentuk lubang hitam tampaknya hilang, bertentangan dengan unitaritas kuantum; proposal dari holografi dan korespondensi AdS/CFT hingga perhitungan pulau baru-baru ini menunjukkan bahwa informasi dipertahankan, tetapi belum ada mekanisme konsensus yang ditetapkan.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Apakah radiasi Hawking telah diamati?

Tidak dari lubang hitam astrofisika; suhu yang diprediksi untuk lubang hitam bintang dan yang lebih besar jauh di bawah latar belakang gelombang mikro kosmik, membuatnya tidak terdeteksi, meskipun sistem analog laboratorium telah mereproduksi efek yang mendasari untuk horizon terkait.

Mengapa lubang hitam kecil memancarkan radiasi lebih kuat?

Suhu Hawking berbanding terbalik dengan massa, sehingga lubang hitam yang lebih kecil lebih panas dan menguap lebih cepat, mengakhiri hidupnya dalam ledakan yang intens, sedangkan lubang hitam besar sangat dingin dan menguap dalam skala waktu yang jauh melebihi usia alam semesta.