อุณหพลศาสตร์ของหลุมดำและรังสีฮอว์คิง

หลุมดำมีพฤติกรรมเหมือนวัตถุทางอุณหพลศาสตร์: พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของมันมีบทบาทเป็นเอนโทรปี และความโน้มถ่วงพื้นผิวของมันมีบทบาทเป็นอุณหภูมิ และการคำนวณเชิงควอนตัมของฮอว์คิงแสดงให้เห็นว่าพวกมันแผ่รังสีและระเหยไปอย่างช้าๆ จริงๆ

Definition

อุณหพลศาสตร์ของหลุมดำคือกรอบแนวคิดที่หลุมดำถูกกำหนดให้มีเอนโทรปีเท่ากับหนึ่งในสี่ของพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ในหน่วยพลังค์ และมีอุณหภูมิเป็นสัดส่วนกับความโน้มถ่วงพื้นผิวของมัน โดยมีรังสีฮอว์คิงเป็นการแผ่รังสีความร้อนที่ทำให้การตีความทางอุณหพลศาสตร์นี้เป็นไปได้ทางกายภาพ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกฎสี่ข้อของกลศาสตร์หลุมดำและการเปรียบเทียบกับอุณหพลศาสตร์, เอนโทรปีเบเคนสไตน์-ฮอว์คิงที่เป็นสัดส่วนกับพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์, อุณหภูมิฮอว์คิงและการระเหย, กฎข้อที่สองแบบทั่วไป, และปริศนาลึกซึ้ง, ปริศนาข้อมูลและต้นกำเนิดระดับจุลภาคของเอนโทรปีหลุมดำ, ที่ผลลัพธ์เหล่านี้ก่อให้เกิด

Core questions

• ทำไมพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำจึงมีพฤติกรรมเหมือนเอนโทรปี?
• ทฤษฎีควอนตัมทำให้หลุมดำปล่อยรังสีความร้อนได้อย่างไร?
• ปริศนาข้อมูลเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับความขัดแย้งระหว่างแรงโน้มถ่วงและกลศาสตร์ควอนตัม?

Key concepts

• กฎสี่ข้อของกลศาสตร์หลุมดำ
• เอนโทรปีเบเคนสไตน์-ฮอว์คิง
• อุณหภูมิฮอว์คิง
• การระเหยของหลุมดำ
• กฎข้อที่สองแบบทั่วไป
• ปริศนาข้อมูล

Key theories

กฎของกลศาสตร์หลุมดำและเอนโทรปี

พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำไม่มีทางลดลงและปฏิบัติตามกฎที่มีโครงสร้างเหมือนกับกฎของอุณหพลศาสตร์ ทำให้เบเคนสไตน์เสนอว่าพื้นที่เป็นสัดส่วนกับเอนโทรปี ซึ่งต่อมาได้รับการแก้ไขอย่างแม่นยำโดยการคำนวณอุณหภูมิของฮอว์คิง

รังสีฮอว์คิง

การประยุกต์ใช้ทฤษฎีสนามควอนตัมกับกาลอวกาศโค้งใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ ฮอว์คิงแสดงให้เห็นว่าหลุมดำปล่อยสเปกตรัมความร้อนที่อุณหภูมิแปรผกผันกับมวลของมัน ดังนั้นมันจึงสูญเสียพลังงานและระเหยไปในที่สุด

Clinical relevance

อุณหพลศาสตร์ของหลุมดำเป็นจุดบรรจบที่ชัดเจนที่สุดเท่าที่ทราบของแรงโน้มถ่วง, ทฤษฎีควอนตัม, และกลศาสตร์สถิติ; กฎเอนโทรปี-พื้นที่กระตุ้นหลักการโฮโลกราฟิกและการนับสถานะจุลภาคของทฤษฎีสตริง, และปริศนาข้อมูลชี้นำการวิจัยปัจจุบันส่วนใหญ่ไปสู่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัม

History

ในปี 1972-1973 เบเคนสไตน์โต้แย้งว่าหลุมดำต้องมีเอนโทรปีเป็นสัดส่วนกับพื้นที่เพื่อรักษากฎข้อที่สอง, ในขณะที่บาร์ดีน, คาร์เตอร์, และฮอว์คิงได้กำหนดกฎของกลศาสตร์หลุมดำอย่างเป็นทางการ; การค้นพบการแผ่รังสีความร้อนของฮอว์คิงในปี 1974-1975 ได้เปลี่ยนการเปรียบเทียบให้เป็นอุณหพลศาสตร์ที่แท้จริงและเปิดปริศนาข้อมูล

Debates

ปริศนาข้อมูลหลุมดำ

หากการระเหยผลิตรังสีความร้อนบริสุทธิ์ ข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งที่ก่อตัวเป็นหลุมดำดูเหมือนจะสูญหายไป ซึ่งขัดแย้งกับความเป็นเอกภาพของควอนตัม; ข้อเสนอจากโฮโลกราฟีและการสอดคล้องกันของ AdS/CFT ไปจนถึงการคำนวณเกาะล่าสุดชี้ให้เห็นว่าข้อมูลถูกรักษาไว้ แต่ยังไม่มีกลไกที่เป็นที่ยอมรับ

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

มีการสังเกตรังสีฮอว์คิงหรือไม่?

ยังไม่เคยมีการสังเกตจากหลุมดำทางดาราศาสตร์; อุณหภูมิที่คาดการณ์ไว้สำหรับหลุมดำขนาดดาวฤกษ์และขนาดใหญ่กว่านั้นต่ำกว่าพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลมาก ทำให้ตรวจจับไม่ได้ แม้ว่าระบบอนาล็อกในห้องปฏิบัติการได้จำลองผลกระทบพื้นฐานสำหรับขอบฟ้าเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องแล้วก็ตาม

ทำไมหลุมดำขนาดเล็กจึงแผ่รังสีได้แรงกว่า?

อุณหภูมิฮอว์คิงแปรผกผันกับมวล ดังนั้นหลุมดำขนาดเล็กจึงร้อนกว่าและระเหยเร็วกว่า โดยจบชีวิตลงด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง ในขณะที่หลุมดำขนาดใหญ่เย็นจัดและระเหยไปในช่วงเวลาที่ยาวนานกว่าอายุของจักรวาลมาก