Termodinamika crnih rupa i Hokingova radijacija

Crne rupe se ponašaju kao termodinamički objekti: površina njihovog horizonta igra ulogu entropije, a njihova površinska gravitacija ulogu temperature, a Hokingov kvantni proračun pokazao je da one zaista zrače i polako isparavaju.

Definition

Termodinamika crnih rupa je okvir u kojem se crnoj rupi dodeljuje entropija jednaka četvrtini površine njenog horizonta u Plankovim jedinicama i temperatura proporcionalna njenoj površinskoj gravitaciji, pri čemu je Hokingova radijacija termalna emisija koja ovu termodinamičku interpretaciju čini fizičkom.

Scope

Ova tema obuhvata četiri zakona mehanike crnih rupa i njihovu analogiju sa termodinamikom, Bekenštajn-Hokingovu entropiju proporcionalnu površini horizonta, Hokingovu temperaturu i isparavanje, generalizovani drugi zakon, kao i duboke zagonetke, informacioni paradoks i mikroskopsko poreklo entropije crnih rupa, koje ovi rezultati postavljaju.

Core questions

• Zašto se površina horizonta crne rupe ponaša kao entropija?
• Kako kvantna teorija uzrokuje da crna rupa emituje termalno zračenje?
• Šta informacioni paradoks otkriva o sukobu između gravitacije i kvantne mehanike?

Key concepts

• Četiri zakona mehanike crnih rupa
• Bekenštajn-Hokingova entropija
• Hokingova temperatura
• Isparavanje crnih rupa
• Generalizovani drugi zakon
• Informacioni paradoks

Key theories

Zakoni mehanike crnih rupa i entropija

Površina horizonta crne rupe se nikada ne smanjuje i poštuje zakone strukturno identične zakonima termodinamike, što je navelo Bekenštajna da predloži da je površina proporcionalna entropiji, što je kasnije precizno utvrđeno Hokingovim proračunom temperature.

Hokingova radijacija

Primenjujući kvantnu teoriju polja na zakrivljeni prostor-vreme blizu horizonta, Hoking je pokazao da crna rupa emituje termalni spektar na temperaturi obrnuto proporcionalnoj njenoj masi, tako da gubi energiju i na kraju isparava.

Clinical relevance

Termodinamika crnih rupa je najjasnije poznato sastajalište gravitacije, kvantne teorije i statističke mehanike; zakon entropije-površine motiviše holografski princip i proračune mikrostanja teorije struna, a informacioni paradoks usmerava mnoga aktuelna istraživanja ka kvantnoj teoriji gravitacije.

History

Godine 1972-1973. Bekenštajn je tvrdio da crne rupe moraju nositi entropiju proporcionalnu površini da bi se sačuvao drugi zakon, dok su Bardeen, Carter i Hawking formalizovali zakone mehanike crnih rupa; Hokingovo otkriće termalne emisije 1974-1975. pretvorilo je analogiju u pravu termodinamiku i otvorilo informacioni paradoks.

Debates

Informacioni paradoks crne rupe

Ako isparavanje proizvodi čisto termalno zračenje, informacija o tome šta je formiralo crnu rupu izgleda izgubljena, što je u suprotnosti sa kvantnom unitarnošću; predlozi od holografije i AdS/CFT korespondencije do nedavnih proračuna ostrva sugerišu da se informacija čuva, ali nije uspostavljen konsenzusni mehanizam.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Da li je Hokingova radijacija primećena?

Ne iz astrofizičke crne rupe; predviđena temperatura za zvezdane i veće crne rupe je daleko ispod kosmičke mikrotalasne pozadine, što je čini neotkrivenom, iako su laboratorijski analogni sistemi reprodukovali osnovni efekat za srodne horizonte.

Zašto male crne rupe zrače jače?

Hokingova temperatura je obrnuto proporcionalna masi, tako da su manje crne rupe toplije i brže isparavaju, završavajući svoj život intenzivnim praskom, dok su velike crne rupe izuzetno hladne i isparavaju tokom vremenskih skala koje daleko premašuju starost univerzuma.