Термодинаміка чорних дір і випромінювання Гокінга

Чорні діри поводяться як термодинамічні об'єкти: площа їхнього горизонту відіграє роль ентропії, а гравітація на поверхні — роль температури. Квантові розрахунки Гокінга показали, що вони дійсно випромінюють і повільно випаровуються.

Definition

Термодинаміка чорних дір — це концепція, в якій чорній дірі приписується ентропія, що дорівнює чверті площі її горизонту в планківських одиницях, і температура, пропорційна гравітації на її поверхні, причому випромінювання Гокінга є тепловим випромінюванням, що робить цю термодинамічну інтерпретацію фізичною.

Scope

Ця тема охоплює чотири закони механіки чорних дір та їхню аналогію з термодинамікою, ентропію Бекенштейна-Гокінга, пропорційну площі горизонту, температуру Гокінга та випаровування, узагальнений другий закон, а також глибокі загадки, парадокс інформації та мікроскопічне походження ентропії чорних дір, які виникають з цих результатів.

Core questions

• Чому площа горизонту чорної діри поводиться як ентропія?
• Як квантова теорія змушує чорну діру випромінювати теплове випромінювання?
• Що парадокс інформації розкриває про конфлікт між гравітацією та квантовою механікою?

Key concepts

• Чотири закони механіки чорних дір
• Ентропія Бекенштейна-Гокінга
• Температура Гокінга
• Випаровування чорних дір
• Узагальнений другий закон
• Інформаційний парадокс

Key theories

Закони механіки чорних дір та ентропія

Площа горизонту чорної діри ніколи не зменшується і підпорядковується законам, структурно ідентичним законам термодинаміки, що спонукало Бекенштейна припустити, що площа пропорційна ентропії, пізніше точно встановленій розрахунком температури Гокінга.

Випромінювання Гокінга

Застосовуючи квантову теорію поля до викривленого простору-часу поблизу горизонту, Гокінг показав, що чорна діра випромінює тепловий спектр при температурі, обернено пропорційній її масі, тому вона втрачає енергію і врешті-решт випаровується.

Clinical relevance

Термодинаміка чорних дір є найчіткішою відомою точкою перетину гравітації, квантової теорії та статистичної механіки; закон ентропії-площі мотивує голографічний принцип та підрахунки мікростанів у теорії струн, а інформаційний парадокс спрямовує значну частину поточних досліджень до квантової теорії гравітації.

History

У 1972-1973 роках Бекенштейн стверджував, що чорні діри повинні мати ентропію, пропорційну площі, щоб зберегти другий закон, тоді як Бардін, Картер і Гокінг формалізували закони механіки чорних дір; відкриття Гокінгом у 1974-1975 роках теплового випромінювання перетворило аналогію на справжню термодинаміку і відкрило інформаційний парадокс.

Debates

Інформаційний парадокс чорних дір

Якщо випаровування створює суто теплове випромінювання, інформація про те, що утворило чорну діру, здається втраченою, що суперечить квантовій унітарності; пропозиції від голографії та відповідності AdS/CFT до нещодавніх обчислень островів свідчать про збереження інформації, але консенсусний механізм не встановлений.

Key figures

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

Seminal works

• bekenstein1973
• hawking1975

Frequently asked questions

Чи спостерігалося випромінювання Гокінга?

Не від астрофізичної чорної діри; передбачувана температура для зоряних і більших чорних дір значно нижча за космічний мікрохвильовий фон, що робить її невиявлюваною, хоча лабораторні аналогові системи відтворили основний ефект для пов'язаних горизонтів.

Чому малі чорні діри випромінюють сильніше?

Температура Гокінга обернено пропорційна масі, тому менші чорні діри гарячіші і випаровуються швидше, закінчуючи своє життя інтенсивним спалахом, тоді як великі чорні діри надзвичайно холодні і випаровуються протягом часових масштабів, що значно перевищують вік Всесвіту.