Термодинамика черных дыр и излучение Хокинга

Черные дыры ведут себя как термодинамические объекты: площадь их горизонта играет роль энтропии, а поверхностная гравитация — роль температуры. Квантовые расчеты Хокинга показали, что они действительно излучают и медленно испаряются.

Definition

Термодинамика черных дыр — это концепция, в которой черной дыре приписывается энтропия, равная четверти площади ее горизонта в планковских единицах, и температура, пропорциональная ее поверхностной гравитации, при этом излучение Хокинга является тепловым излучением, которое делает эту термодинамическую интерпретацию физически обоснованной.

Scope

Эта тема охватывает четыре закона механики черных дыр и их аналогию с термодинамикой, энтропию Бекенштейна-Хокинга, пропорциональную площади горизонта, температуру Хокинга и испарение, обобщенный второй закон, а также глубокие загадки, информационный парадокс и микроскопическое происхождение энтропии черных дыр, которые возникают из этих результатов.

Core questions

• Почему площадь горизонта черной дыры ведет себя как энтропия?
• Как квантовая теория заставляет черную дыру испускать тепловое излучение?
• Что информационный парадокс раскрывает о конфликте между гравитацией и квантовой механикой?

Key concepts

• Четыре закона механики черных дыр
• Энтропия Бекенштейна-Хокинга
• Температура Хокинга
• Испарение черной дыры
• Обобщенный второй закон
• Информационный парадокс

Key theories

Законы механики черных дыр и энтропия

Площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается и подчиняется законам, структурно идентичным законам термодинамики, что привело Бекенштейна к предположению, что площадь пропорциональна энтропии, что позднее было точно установлено расчетом температуры Хокинга.

Излучение Хокинга

Применяя квантовую теорию поля к искривленному пространству-времени вблизи горизонта, Хокинг показал, что черная дыра испускает тепловой спектр при температуре, обратно пропорциональной ее массе, поэтому она теряет энергию и в конечном итоге испаряется.

Clinical relevance

Термодинамика черных дыр является наиболее ясной известной точкой соприкосновения гравитации, квантовой теории и статистической механики; закон энтропии-площади мотивирует голографический принцип и подсчет микросостояний в теории струн, а информационный парадокс направляет большую часть текущих исследований к квантовой теории гравитации.

History

В 1972-1973 годах Бекенштейн утверждал, что черные дыры должны обладать энтропией, пропорциональной площади, чтобы сохранить второй закон, в то время как Бардин, Картер и Хокинг формализовали законы механики черных дыр; открытие Хокингом в 1974-1975 годах теплового излучения превратило аналогию в подлинную термодинамику и породило информационный парадокс.

Debates

Информационный парадокс черных дыр

Если испарение производит чисто тепловое излучение, информация о том, что сформировало черную дыру, по-видимому, теряется, что противоречит квантовой унитарности; предложения от голографии и соответствия AdS/CFT до недавних вычислений «островов» предполагают, что информация сохраняется, но консенсусный механизм не установлен.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Наблюдалось ли излучение Хокинга?

Не от астрофизической черной дыры; предсказанная температура для звездных и более крупных черных дыр значительно ниже космического микроволнового фона, что делает ее необнаружимой, хотя лабораторные аналоговые системы воспроизвели основной эффект для связанных горизонтов.

Почему маленькие черные дыры излучают сильнее?

Температура Хокинга обратно пропорциональна массе, поэтому меньшие черные дыры горячее и испаряются быстрее, заканчивая свою жизнь интенсивным всплеском, тогда как большие черные дыры чрезвычайно холодны и испаряются в течение временных масштабов, значительно превышающих возраст Вселенной.