Termodynamika czarnych dziur i promieniowanie Hawkinga

Czarne dziury zachowują się jak obiekty termodynamiczne: powierzchnia ich horyzontu pełni rolę entropii, a grawitacja powierzchniowa rolę temperatury, a obliczenia kwantowe Hawkinga wykazały, że faktycznie promieniują i powoli parują.

Definition

Termodynamika czarnych dziur to ramy, w których czarnej dziurze przypisuje się entropię równą jednej czwartej powierzchni jej horyzontu w jednostkach Plancka i temperaturę proporcjonalną do jej grawitacji powierzchniowej, przy czym promieniowanie Hawkinga jest emisją termiczną, która nadaje tej termodynamicznej interpretacji fizyczny sens.

Scope

Temat ten obejmuje cztery prawa mechaniki czarnych dziur i ich analogię z termodynamiką, entropię Bekensteina-Hawkinga proporcjonalną do powierzchni horyzontu, temperaturę Hawkinga i parowanie, uogólnione drugie prawo oraz głębokie zagadki, paradoks informacyjny i mikroskopijne pochodzenie entropii czarnych dziur, które te wyniki rodzą.

Core questions

• Dlaczego powierzchnia horyzontu czarnej dziury zachowuje się jak entropia?
• W jaki sposób teoria kwantowa powoduje, że czarna dziura emituje promieniowanie termiczne?
• Co paradoks informacyjny ujawnia na temat konfliktu między grawitacją a mechaniką kwantową?

Key concepts

• Cztery prawa mechaniki czarnych dziur
• Entropia Bekensteina-Hawkinga
• Temperatura Hawkinga
• Parowanie czarnych dziur
• Uogólnione drugie prawo
• Paradoks informacyjny

Key theories

Prawa mechaniki czarnych dziur i entropia

Powierzchnia horyzontu czarnej dziury nigdy się nie zmniejsza i podlega prawom strukturalnie identycznym z prawami termodynamiki, co skłoniło Bekensteina do zaproponowania, że powierzchnia jest proporcjonalna do entropii, co później zostało precyzyjnie ustalone przez obliczenia temperatury Hawkinga.

Promieniowanie Hawkinga

Stosując kwantową teorię pola do zakrzywionej czasoprzestrzeni w pobliżu horyzontu, Hawking wykazał, że czarna dziura emituje widmo termiczne w temperaturze odwrotnie proporcjonalnej do jej masy, więc traci energię i ostatecznie paruje.

Clinical relevance

Termodynamika czarnych dziur jest najjaśniejszym znanym punktem spotkania grawitacji, teorii kwantowej i mechaniki statystycznej; prawo entropii-powierzchni motywuje zasadę holograficzną i obliczenia mikrostanów w teorii strun, a paradoks informacyjny kieruje wiele obecnych badań w stronę kwantowej teorii grawitacji.

History

W latach 1972-1973 Bekenstein argumentował, że czarne dziury muszą posiadać entropię proporcjonalną do powierzchni, aby ocalić drugie prawo, podczas gdy Bardeen, Carter i Hawking sformalizowali prawa mechaniki czarnych dziur; odkrycie emisji termicznej przez Hawkinga w latach 1974-1975 przekształciło analogię w prawdziwą termodynamikę i otworzyło paradoks informacyjny.

Debates

Paradoks informacyjny czarnej dziury

Jeśli parowanie wytwarza czysto termiczne promieniowanie, informacja o tym, co utworzyło czarną dziurę, wydaje się utracona, co jest sprzeczne z unitarnością kwantową; propozycje od holografii i korespondencji AdS/CFT po ostatnie obliczenia wysp sugerują, że informacja jest zachowana, ale nie ustalono żadnego konsensusowego mechanizmu.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Czy zaobserwowano promieniowanie Hawkinga?

Nie z astrofizycznej czarnej dziury; przewidywana temperatura dla gwiazdowych i większych czarnych dziur jest znacznie poniżej kosmicznego mikrofalowego tła, co czyni ją niewykrywalną, chociaż laboratoryjne systemy analogowe odtworzyły podstawowy efekt dla pokrewnych horyzontów.

Dlaczego małe czarne dziury promieniują silniej?

Temperatura Hawkinga jest odwrotnie proporcjonalna do masy, więc mniejsze czarne dziury są gorętsze i parują szybciej, kończąc swoje życie intensywnym wybuchem, podczas gdy duże czarne dziury są niezwykle zimne i parują w skalach czasowych znacznie przekraczających wiek wszechświata.