Termodinamica găurilor negre și radiația Hawking

Găurile negre se comportă ca obiecte termodinamice: aria orizontului lor joacă rolul de entropie, iar gravitația lor de suprafață pe cel de temperatură, iar calculul cuantic al lui Hawking a arătat că ele radiază și se evaporă lent.

Definition

Termodinamica găurilor negre este cadrul în care unei găuri negre i se atribuie o entropie egală cu un sfert din aria orizontului său în unități Planck și o temperatură proporțională cu gravitația sa de suprafață, radiația Hawking fiind emisia termică ce face ca această interpretare termodinamică să fie fizică.

Scope

Acest subiect acoperă cele patru legi ale mecanicii găurilor negre și analogia lor cu termodinamica, entropia Bekenstein-Hawking proporțională cu aria orizontului, temperatura Hawking și evaporarea, legea a doua generalizată și enigmele profunde, paradoxul informației și originea microscopică a entropiei găurilor negre, pe care aceste rezultate le ridică.

Core questions

• De ce aria orizontului unei găuri negre se comportă ca o entropie?
• Cum determină teoria cuantică o gaură neagră să emită radiație termică?
• Ce relevă paradoxul informației despre conflictul dintre gravitație și mecanica cuantică?

Key concepts

• Patru legi ale mecanicii găurilor negre
• Entropia Bekenstein-Hawking
• Temperatura Hawking
• Evaporarea găurilor negre
• Legea a doua generalizată
• Paradoxul informației

Key theories

Legile mecanicii găurilor negre și entropia

Aria orizontului unei găuri negre nu scade niciodată și respectă legi structural identice cu legile termodinamicii, ceea ce l-a determinat pe Bekenstein să propună că aria este proporțională cu entropia, ulterior fixată cu precizie prin calculul temperaturii al lui Hawking.

Radiația Hawking

Aplicând teoria cuantică a câmpurilor la spațiul-timp curbat din apropierea unui orizont, Hawking a arătat că o gaură neagră emite un spectru termic la o temperatură invers proporțională cu masa sa, astfel încât pierde energie și, în cele din urmă, se evaporă.

Clinical relevance

Termodinamica găurilor negre este cel mai clar punct de întâlnire cunoscut al gravitației, teoriei cuantice și mecanicii statistice; legea entropie-arie motivează principiul holografic și numărătoarea microstărilor din teoria corzilor, iar paradoxul informației ghidează o mare parte din cercetările actuale către o teorie cuantică a gravitației.

History

În 1972-1973, Bekenstein a argumentat că găurile negre trebuie să posede entropie proporțională cu aria pentru a salva a doua lege, în timp ce Bardeen, Carter și Hawking au formalizat legile mecanicii găurilor negre; descoperirea lui Hawking din 1974-1975 a emisiei termice a transformat analogia în termodinamică autentică și a deschis paradoxul informației.

Debates

Paradoxul informației găurilor negre

Dacă evaporarea produce radiație pur termică, informațiile despre ceea ce a format gaura neagră par pierdute, contrazicând unitaritatea cuantică; propunerile, de la holografie și corespondența AdS/CFT până la recentele calcule insulare, sugerează că informația este păstrată, dar niciun mecanism de consens nu este stabilit.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

A fost observată radiația Hawking?

Nu de la o gaură neagră astrofizică; temperatura prezisă pentru găurile negre stelare și mai mari este mult sub fondul cosmic de microunde, făcând-o nedetectabilă, deși sistemele analogice de laborator au reprodus efectul subiacent pentru orizonturi înrudite.

De ce găurile negre mici radiază mai puternic?

Temperatura Hawking este invers proporțională cu masa, astfel încât găurile negre mai mici sunt mai fierbinți și se evaporă mai repede, încheindu-și viața într-o explozie intensă, în timp ce găurile negre mari sunt extrem de reci și se evaporă pe perioade de timp care depășesc cu mult vârsta universului.