Termodinamik Lohong Hitam dan Sinaran Hawking

Lohong hitam berkelakuan sebagai objek termodinamik: luas ufuknya memainkan peranan entropi dan graviti permukaannya memainkan peranan suhu, dan pengiraan kuantum Hawking menunjukkan bahawa ia benar-benar memancar dan menyejat secara perlahan.

Definition

Termodinamik lohong hitam ialah kerangka di mana lohong hitam diberikan entropi yang sama dengan seperempat luas ufuknya dalam unit Planck dan suhu yang berkadar dengan graviti permukaannya, dengan sinaran Hawking sebagai pancaran terma yang menjadikan tafsiran termodinamik ini fizikal.

Scope

Topik ini merangkumi empat hukum mekanik lohong hitam dan analoginya dengan termodinamik, entropi Bekenstein-Hawking yang berkadar dengan luas ufuk, suhu dan penyejatan Hawking, hukum kedua teritlak, dan teka-teki mendalam, paradoks maklumat dan asal usul mikroskopik entropi lohong hitam, yang ditimbulkan oleh hasil ini.

Core questions

• Mengapa luas ufuk lohong hitam berkelakuan seperti entropi?
• Bagaimanakah teori kuantum menyebabkan lohong hitam memancarkan sinaran terma?
• Apakah yang didedahkan oleh paradoks maklumat tentang konflik antara graviti dan mekanik kuantum?

Key concepts

• Empat hukum mekanik lohong hitam
• Entropi Bekenstein-Hawking
• Suhu Hawking
• Penyejatan lohong hitam
• Hukum kedua teritlak
• Paradoks maklumat

Key theories

Hukum mekanik lohong hitam dan entropi

Luas ufuk lohong hitam tidak pernah berkurangan dan mematuhi hukum yang secara struktur serupa dengan hukum termodinamik, menyebabkan Bekenstein mencadangkan bahawa luas adalah berkadar dengan entropi, kemudian ditetapkan dengan tepat oleh pengiraan suhu Hawking.

Sinaran Hawking

Dengan mengaplikasikan teori medan kuantum kepada ruang-masa melengkung berhampiran ufuk, Hawking menunjukkan bahawa lohong hitam memancarkan spektrum terma pada suhu yang berkadar songsang dengan jisimnya, jadi ia kehilangan tenaga dan akhirnya menyejat.

Clinical relevance

Termodinamik lohong hitam ialah titik pertemuan graviti, teori kuantum, dan mekanik statistik yang paling jelas diketahui; hukum entropi-luas mendorong prinsip holografi dan kiraan mikronegeri teori rentetan, dan paradoks maklumat membimbing banyak penyelidikan semasa ke arah teori kuantum graviti.

History

Pada 1972-1973 Bekenstein berhujah bahawa lohong hitam mesti membawa entropi yang berkadar dengan luas untuk menyelamatkan hukum kedua, manakala Bardeen, Carter, dan Hawking merasmikan hukum mekanik lohong hitam; penemuan pancaran terma Hawking pada 1974-1975 mengubah analogi itu menjadi termodinamik tulen dan membuka paradoks maklumat.

Debates

Paradoks maklumat lohong hitam

Jika penyejatan menghasilkan sinaran terma semata-mata, maklumat tentang apa yang membentuk lohong hitam kelihatan hilang, bercanggah dengan unitariti kuantum; cadangan daripada holografi dan korespondensi AdS/CFT kepada pengiraan pulau baru-baru ini menunjukkan maklumat dipelihara, tetapi tiada mekanisme konsensus yang ditetapkan.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Adakah sinaran Hawking telah diperhatikan?

Bukan daripada lohong hitam astrofizik; suhu yang diramalkan untuk lohong hitam bintang dan yang lebih besar adalah jauh di bawah latar belakang gelombang mikro kosmik, menjadikannya tidak dapat dikesan, walaupun sistem analog makmal telah menghasilkan semula kesan asas untuk ufuk yang berkaitan.

Mengapa lohong hitam kecil memancar dengan lebih kuat?

Suhu Hawking berkadar songsang dengan jisim, jadi lohong hitam yang lebih kecil adalah lebih panas dan menyejat lebih cepat, menamatkan hayatnya dalam letusan yang kuat, manakala lohong hitam yang besar adalah sangat sejuk dan menyejat dalam skala masa yang jauh melebihi usia alam semesta.