Termodinâmica de Buracos Negros e Radiação de Hawking

Buracos negros comportam-se como objetos termodinâmicos: a área do seu horizonte desempenha o papel de entropia e a sua gravidade superficial o papel de temperatura, e o cálculo quântico de Hawking mostrou que eles realmente irradiam e evaporam lentamente.

Definition

A termodinâmica de buracos negros é a estrutura na qual a um buraco negro é atribuída uma entropia igual a um quarto da sua área de horizonte em unidades de Planck e uma temperatura proporcional à sua gravidade superficial, sendo a radiação de Hawking a emissão térmica que torna esta interpretação termodinâmica física.

Scope

Este tópico abrange as quatro leis da mecânica de buracos negros e a sua analogia com a termodinâmica, a entropia de Bekenstein-Hawking proporcional à área do horizonte, a temperatura e evaporação de Hawking, a segunda lei generalizada, e os profundos enigmas, o paradoxo da informação e a origem microscópica da entropia de buracos negros, que estes resultados levantam.

Core questions

• Por que a área do horizonte de um buraco negro se comporta como uma entropia?
• Como a teoria quântica faz com que um buraco negro emita radiação térmica?
• O que o paradoxo da informação revela sobre o conflito entre a gravidade e a mecânica quântica?

Key concepts

• Quatro leis da mecânica de buracos negros
• Entropia de Bekenstein-Hawking
• Temperatura de Hawking
• Evaporação de buracos negros
• Segunda lei generalizada
• Paradoxo da informação

Key theories

Leis da mecânica de buracos negros e entropia

A área do horizonte de um buraco negro nunca diminui e obedece a leis estruturalmente idênticas às leis da termodinâmica, levando Bekenstein a propor que a área é proporcional à entropia, posteriormente fixada precisamente pelo cálculo da temperatura de Hawking.

Radiação de Hawking

Aplicando a teoria quântica de campos ao espaço-tempo curvo perto de um horizonte, Hawking mostrou que um buraco negro emite um espectro térmico a uma temperatura inversamente proporcional à sua massa, de modo que perde energia e eventualmente evapora.

Clinical relevance

A termodinâmica de buracos negros é o ponto de encontro mais claro conhecido entre a gravidade, a teoria quântica e a mecânica estatística; a lei entropia-área motiva o princípio holográfico e as contagens de microestados da teoria das cordas, e o paradoxo da informação orienta grande parte da pesquisa atual em direção a uma teoria quântica da gravidade.

History

Em 1972-1973, Bekenstein argumentou que os buracos negros devem possuir entropia proporcional à área para salvar a segunda lei, enquanto Bardeen, Carter e Hawking formalizaram as leis da mecânica de buracos negros; a descoberta de Hawking em 1974-1975 da emissão térmica transformou a analogia em termodinâmica genuína e abriu o paradoxo da informação.

Debates

O paradoxo da informação do buraco negro

Se a evaporação produz radiação puramente térmica, a informação sobre o que formou o buraco negro parece perdida, contradizendo a unitariedade quântica; propostas desde a holografia e a correspondência AdS/CFT até cálculos recentes de ilhas sugerem que a informação é preservada, mas nenhum mecanismo consensual está estabelecido.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

A radiação de Hawking foi observada?

Não de um buraco negro astrofísico; a temperatura prevista para buracos negros estelares e maiores está muito abaixo do fundo cósmico de micro-ondas, tornando-a indetectável, embora sistemas análogos de laboratório tenham reproduzido o efeito subjacente para horizontes relacionados.

Por que buracos negros pequenos irradiam mais fortemente?

A temperatura de Hawking é inversamente proporcional à massa, então buracos negros menores são mais quentes e evaporam mais rapidamente, terminando suas vidas em uma intensa explosão, enquanto buracos negros grandes são extremamente frios e evaporam em escalas de tempo que excedem vastamente a idade do universo.