Черная дыра / излучение Хокинга: зачем захватывать только частицы?

У меня могут быть некоторые особенности не так Если так, не сосредотачивайтесь на них. Просто сфокусируйтесь на общем вопросе моего вопроса.

Я «понимаю» (кашляет), что пары частица / античастица спонтанно образуются в пространстве. Я понимаю, что они могут образоваться вблизи горизонта событий черной дыры, и что одна частица может упасть туда, где другая частица едва может уйти. Я понимаю, что античастица будет уничтожаться вместе с частицей. Чего я не понимаю, так это того, почему только античастицы этих пар виртуальных частиц попадают в черную дыру, в то время как остальным просто удается убежать. Разве и частица, и античастица не должны иметь равные шансы попасть в нее или просто сбежать?

Кажется, что должна быть равная вероятность того, что частица или античастица будут захвачены, пока другая «выброшена». Таким образом, кажется, что черная дыра должна быть несколько устойчивой в отношении изменения массы относительно виртуальных частиц.

Объяснить?

Я думал, что античастица аннигилирует с "нормальной" массой внутри черной дыры? Нет?

Нет. Во-первых, и частицы, и античастицы имеют «нормальную» массу (если они имеют массу в первую очередь) и «нормальную» (положительную) энергию. Различие между ними является либо условным вопросом, либо вопросом о том, какой тип чаще встречается во вселенной. Кроме того, для черных дыр с типичной массой основная часть излучения Хокинга будет состоять из фотонов, которые, собственно говоря, даже не имеют античастиц, хотя можно также сказать, что они являются их собственными античастицами.

Разве и частица, и античастица не должны иметь равные шансы попасть в нее или просто сбежать?

Да, и незаряженные делают. Черная дыра меньшего размера будет излучать как нейтрино, так и антинейтрино, предполагая, что все нейтрино массивны (в противном случае все черные дыры сделали бы это уже), а достаточно маленькая (и, следовательно, достаточно горячая) излучала бы и электроны, и позитроны. Грубо говоря, черная дыра будет излучать незначительные количества массивных частиц, когда температура черной дыры будет порядка массы частиц или больше, в естественных единицах.

Кажется, что должна быть равная вероятность того, что частица или античастица будут захвачены, пока другая «выброшена».

Исправьте, за небольшим исключением, что если горячая черная дыра имеет электрический заряд, она с большей вероятностью будет излучать частицы с таким же знаком заряда.

Таким образом, кажется, что черная дыра должна быть несколько устойчивой в отношении изменения массы относительно виртуальных частиц.

Если частица или античастица упадут в черную дыру, ее масса увеличится. Это не важно По сути, «причина» излучения Хокинга заключается в том, что вакуумное состояние в квантовой теории поля представляет собой состояние с наименьшей энергией, но разные наблюдатели могут не согласиться с тем, какое состояние является вакуумом. Таким образом, поскольку частицы колеблются в верхней части вакуума, они могут не согласиться с тем, существуют ли частицы.

Я не думаю, что есть хороший способ исправить историю «падения античастиц», за исключением некоторого окольного обращения к энергосбережению: если убегающая частица реальна и обладает положительной энергией, то та, которая упала, должна иметь отрицательную энергию и поэтому уменьшите массу черной дыры. К сожалению, это только показывает, что должно произойти, чтобы ситуация была последовательной, а не то, что это действительно происходит.

Хотя с некоторым знанием общей теории относительности можно мотивировать это немного дальше - например, для черной дыры Шварцшильда, существует сохранение энергии, данное векторным полем Киллинга, которое идет от времени к пространственному на горизонте - так, что внешнее наблюдатель считает, что время / энергия будут пространством / импульсом внутри черной дыры, а импульс может быть отрицательным.

Во-первых, я хотел бы указать и одобрить ответ @ user83692435, который пришел первым и является правильным. Расширяя это:

Изображение создаваемой пары виртуальная частица / античастица, а затем проглатывание одной из пар горизонтом событий, оставляющее другую действительной, является аналогией, которая дает картину того, что происходит, но определенно не является правильной. Популяризаторы продолжают использовать это, потому что то, что действительно происходит, чрезвычайно сложно и не легко объяснить словами. (И я не буду пытаться!) Но вот ссылка на техническую статью по этому вопросу .

Но, пожалуй, самым ярким аргументом против простого объяснения является то, что излучение Хокинга исходит не от горизонта событий, который требует аналогия, а из пространства вне его!

Второе замечание по сравнению с аналогией Хокинга заключается в том, что горизонт событий находится чрезвычайно глубоко в потенциальной яме черной дыры. Чтобы частица или фотон могли покинуть ЧД (что должно излучение Хокинга), она должна быть создана с достаточной дополнительной энергией, чтобы избежать ЧД - и ЧД можно представить как объект со скоростью убегания, большей скорости света. Слабые виртуальные частицы, которые потеряли своего партнера для ЧД, никогда бы этого не увидели.

Если вы хотите покопаться немного глубже, я рекомендую блог Сабины Хоссенфельдер Backreaction, в котором есть длинный пост с множеством ссылок на дополнительную информацию. Бэкреакция - один из лучших в последнее время популяризационных блогов по физике, в значительной степени потому, что Хоссенфельдер - активный исследователь и хороший писатель.

Вы немного ошиблись в распространенном (хотя и плохом) способе описания излучения Хокинга. Популяризаторы физики иногда описывают это как создаваемую пару частиц, одна из которых является материей, а другая - отрицательной материей. Или один из которых является антивеществом, а другой отрицательным антивеществом. Таким образом, ваш протон убегает, а ваш протон отрицательной материи поглощается. Или ваш антипротон ускользает, а ваш отрицательный антиматерия-антипротон поглощается. Отрицательное вещество (или отрицательное антивещество) сжимает черную дыру.

Хотя это обычный способ описания вещей для нефизиков, это плохой способ описать это. Это сбивает с толку, потому что предлагает точный вопрос, который вы подняли: почему негативное вещество не вылетает наружу и не сжимает первую звезду или планету, на которую оно попадает? Кроме того, отрицательное вещество никогда не было обнаружено. Нет особой причины думать, что это полезная конструкция для понимания черных дыр. (Хотя, если бы он существовал, вы могли бы использовать его для стабилизации червоточин, что может быть очень полезно).

Лучше описать излучение Хокинга, как и другие ответы, не прибегая к виртуальным отрицательным частицам.

Это объяснение излучения Хокинга как образующихся виртуальных частиц и одной частицы, падающей в черную дыру, является неполным. Стивен Хокинг первоначально представлял себе путь из далекого прошлого в далекое будущее и нулевой геодезический (путь света), путешествующий по нему. Черная дыра формируется на пути геодезической непосредственно перед тем, как она проходит место, где черная дыра сформирована. Это последняя геодезическая.
Вакуум не пустой. Он состоит из некоторых колебаний из-за принципа неопределенности. Это вакуумное поле состоит из множества частотных мод. Они продолжают создавать пары виртуальных частиц, которые уничтожают друг друга. Античастица может рассматриваться как вибрация в квантовом поле, имеющая отрицательную частоту, т. Е. Путешествующая назад во времени. Образовавшаяся черная дыра подталкивает некоторые частоты прошедшей геодезической. Таким образом, геодезическая создает свои поля из оставшихся частот. А поскольку античастица может рассматриваться как частица с частотой, движущейся назад во времени, ее частота всегда теряется в черную дыру, а поле создает виртуальную частицу из оставшихся частотных мод.