Svarte hull-termodynamikk og Hawking-stråling

Svarte hull oppfører seg som termodynamiske objekter: deres horisontareal spiller rollen som entropi og deres overflategravitasjon rollen som temperatur, og Hawkings kvanteberegning viste at de faktisk stråler og sakte fordamper.

Definition

Svarte hull-termodynamikk er rammeverket der et svart hull tildeles en entropi lik en fjerdedel av dets horisontareal i Planck-enheter og en temperatur proporsjonal med dets overflategravitasjon, med Hawking-stråling som den termiske emisjonen som gjør denne termodynamiske tolkningen fysisk.

Scope

Dette emnet dekker de fire lovene for svarte hull-mekanikk og deres analogi med termodynamikk, Bekenstein-Hawking-entropien proporsjonal med horisontarealet, Hawking-temperaturen og fordampningen, den generaliserte andre loven, og de dype gåtene, informasjonsparadokset og den mikroskopiske opprinnelsen til svarte hull-entropi, som disse resultatene reiser.

Core questions

• Hvorfor oppfører et svart hulls horisontareal seg som en entropi?
• Hvordan får kvanteteori et svart hull til å sende ut termisk stråling?
• Hva avslører informasjonsparadokset om konflikten mellom gravitasjon og kvantemekanikk?

Key concepts

• Fire lover for svarte hull-mekanikk
• Bekenstein-Hawking-entropi
• Hawking-temperatur
• Fordampning av svarte hull
• Generalisert andre lov
• Informasjonsparadoks

Key theories

Lover for svarte hull-mekanikk og entropi

Horisontarealet til et svart hull minker aldri og adlyder lover som er strukturelt identiske med termodynamikkens lover, noe som førte til at Bekenstein foreslo at areal er proporsjonalt med entropi, senere nøyaktig fastsatt av Hawkings temperaturberegning.

Hawking-stråling

Ved å anvende kvantefeltteori på den krumme romtiden nær en horisont, viste Hawking at et svart hull sender ut et termisk spektrum ved en temperatur omvendt proporsjonal med dets masse, slik at det mister energi og til slutt fordamper.

Clinical relevance

Svarte hull-termodynamikk er det tydeligste kjente møtepunktet mellom gravitasjon, kvanteteori og statistisk mekanikk; entropi-areal-loven motiverer det holografiske prinsippet og strengteoriens telling av mikrotilstander, og informasjonsparadokset veileder mye av dagens forskning mot en kvanteteori for gravitasjon.

History

I 1972-1973 argumenterte Bekenstein for at svarte hull må bære entropi proporsjonal med areal for å redde den andre loven, mens Bardeen, Carter og Hawking formaliserte lovene for svarte hull-mekanikk; Hawkings oppdagelse av termisk emisjon i 1974-1975 gjorde analogien til ekte termodynamikk og åpnet informasjonsparadokset.

Debates

Informasjonsparadokset for svarte hull

Hvis fordampning produserer rent termisk stråling, ser informasjonen om hva som dannet det svarte hullet ut til å være tapt, noe som motsier kvante-unitaritet; forslag fra holografi og AdS/CFT-korrespondansen til nylige øy-beregninger antyder at informasjon bevares, men ingen konsensusmekanisme er etablert.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Har Hawking-stråling blitt observert?

Ikke fra et astrofysisk svart hull; den forutsagte temperaturen for stellare og større svarte hull er langt under den kosmiske mikrobølgeovnsbakgrunnen, noe som gjør den uoppdagelig, selv om laboratorieanaloge systemer har reprodusert den underliggende effekten for relaterte horisonter.

Hvorfor stråler små svarte hull sterkere?

Hawking-temperaturen er omvendt proporsjonal med masse, så mindre svarte hull er varmere og fordamper raskere, og avslutter sine liv i et intenst utbrudd, mens store svarte hull er ekstremt kalde og fordamper over tidsskalaer som langt overgår universets alder.