Black Hole / Hawking Radiation: Perché catturare solo anti-particelle?

Potrei avere alcuni dettagli sbagliati qui. Se è così, non concentrarti su quelli. Concentrati solo sulla spinta generale della mia domanda.

"Capisco" (tosse) che coppie di particelle / anti-particella si formano spontaneamente nello spazio. Capisco che possono formarsi vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero e che una particella può cadere, dove mentre l'altra particella riesce a malapena a fuggire. Capisco che un anti-particella si annichilerà con una particella. Quello che non capisco è perché solo le anti-particelle di queste coppie di particelle virtuali cadano nel buco nero, mentre le altre riescono a fuggire. Sia la particella che l'antiparticella non dovrebbero avere le stesse probabilità di essere quella in cui cadere o riuscire a scappare?

Sembra che ci dovrebbe essere un'eguale possibilità che la particella o l'anti-particella vengano catturate mentre l'altra "espulsa". Quindi sembra che il buco nero dovrebbe essere in qualche modo stabile per quanto riguarda il cambiamento di massa rispetto alle particelle virtuali.

Spiegare?

Pensavo che l'anti-particella si stesse annientando con una massa "normale" all'interno del buco nero? No?

No. Innanzitutto, sia le particelle che gli antiparticelle hanno una massa "normale" (in primo luogo dovrebbero avere massa) e "normale" (positiva). La distinzione tra loro è o una questione di convenzione o una questione di quale tipo sia più comune nell'universo. Inoltre, per i buchi anneriti a massa tipica, la maggior parte della radiazione di Hawking sarebbe costituita da fotoni, che in senso proprio non hanno nemmeno anti-particelle, anche se si potrebbe anche dire che sono le loro stesse anti-particelle.

Sia la particella che l'antiparticella non dovrebbero avere le stesse possibilità di cadere o di riuscire a scappare?

Sì, e quelli non caricati lo fanno. Un buco nero più piccolo irradierebbe sia i neutrini che gli anti-neutrini, supponendo che tutti i neutrini siano enormi (altrimenti, tutti i buchi neri lo farebbero già), e uno sufficientemente piccolo (e quindi sufficientemente caldo) irradierebbe sia elettroni che positroni. Molto approssimativamente, un buco nero irradierà quantità non trascurabili di particelle massicce quando la temperatura del buco nero è nell'ordine della massa di particelle o maggiore, in unità naturali.

Sembra che ci dovrebbe essere un'eguale possibilità che la particella o l'anti-particella vengano catturate mentre l'altra "espulsa".

Corretto, con una piccola eccezione che se un buco nero caldo ha carica elettrica, è più probabile che irradi particelle dello stesso segno di carica.

Quindi sembra che il buco nero dovrebbe essere in qualche modo stabile per quanto riguarda il cambiamento di massa rispetto alle particelle virtuali.

Se una particella o un'anti-particella cade in un buco nero, la sua massa aumenterà. Non importa Fondamentalmente, la "ragione" della radiazione di Hawking è che lo stato del vuoto nella teoria dei campi quantistici è uno stato di energia più bassa, ma diversi osservatori possono essere in disaccordo su quale stato è il vuoto. Pertanto, poiché le particelle sono fluttuazioni in cima al vuoto, possono essere in disaccordo sul fatto che ci siano o meno particelle.

Non credo che ci sia un buon modo per riparare la storia delle "cadute di antiparticelle" se non un appello rotatorio al risparmio energetico: se la particella in fuga è reale e ha energia positiva, quella che è caduta deve avere energia negativa e quindi ridurre la massa del buco nero. Sfortunatamente, ciò mostra solo ciò che deve accadere affinché la situazione sia coerente, non che ciò accada effettivamente.

Sebbene con una certa conoscenza della relatività generale, si può motivare ulteriormente questo aspetto - ad esempio, per il buco nero di Schwarzschild, c'è un risparmio energetico dato da un campo vettoriale Killing, che va dall'orologeria allo spazio spaziale all'orizzonte - quindi che esterno osservatore ritiene tempo / energia sarebbe spazio / momento all'interno del foro nero, e l'impulso è permesso di essere negativo.

Innanzitutto, vorrei sottolineare e lodare la risposta di @ user83692435 che è venuta per prima ed è corretta. Espandersi su di esso:

L'immagine di una coppia virtuale di particelle / antiparticelle che viene creata e quindi una delle coppie che viene ingoiata dall'orizzonte degli eventi lasciando l'altra come reale è un'analogia che fornisce un quadro di ciò che sta accadendo, ma sicuramente non è corretta. I divulgatori continuano a usarlo perché ciò che sta realmente accadendo è estremamente complesso e non facilmente spiegabile a parole. (E non ci proverò!) Ma ecco un link a un documento tecnico sull'argomento .

Ma forse il punto più significativo contro la semplice spiegazione è che la radiazione Hawking non proviene dall'orizzonte degli eventi che l'analogia richiede, ma dallo spazio esterno ad essa!

Un secondo punto contro l'analogia di Hawking è che l'orizzonte degli eventi è enormemente profondo nel potenziale pozzo del buco nero. Affinché una particella o un fotone sfugga al BH (che deve essere la radiazione di Hawking), deve essere creato con sufficiente energia aggiuntiva per sfuggire al BH - e un BH può essere pensato a un oggetto con una velocità di fuga maggiore della velocità della luce. Piccole particelle virtuali Wimpy che hanno perso il loro partner per il BH non ce la farebbero mai.

Se vuoi approfondire un po ', ti consiglio il blog Backreaction di Sabine Hossenfelder che ha un lungo post con molti link per ulteriori informazioni. La backreaction è uno dei migliori blog di divulgazione della fisica di frontiera in questi giorni, in parte significativa perché Hossenfelder è un ricercatore attivo e un buon scrittore.

Hai leggermente frainteso un modo comune (sebbene cattivo) di descrivere le radiazioni Hawking. I divulgatori della fisica a volte la descrivono come una coppia di particelle che viene creata, una delle quali è materia e l'altra è materia negativa. O uno dei quali è l'antimateria e l'altro è l'antimateria negativa. Quindi il tuo protone fugge e il tuo protone della materia negativa viene assorbito. Oppure il tuo antiprotone sfugge e il tuo antimateria-antimateria viene assorbito. La materia negativa (o antimateria negativa) restringe il buco nero.

Anche se questo è un modo comune per descrivere le cose per i non fisici, è un brutto modo per descriverlo. È confuso perché suggerisce la domanda esatta che hai sollevato: perché la materia negativa non vola verso l'esterno e restringe la prima stella o pianeta che colpisce? Inoltre, la questione negativa non è mai stata rilevata. Non vi è alcun motivo particolare per pensare che sia un costrutto utile per comprendere i buchi neri. (Anche se esistesse, potresti essere in grado di usarlo per stabilizzare i wormhole, il che potrebbe essere molto utile).

È meglio descrivere la radiazione di Hawking come hanno fatto le altre risposte qui, senza ricorrere a particelle negative virtuali.

Questa spiegazione della radiazione di Hawking come particelle virtuali che si formano e una particella che cade nel buco nero è incompleta. Stephen Hawking originariamente immaginava un percorso dal passato lontano al futuro lontano e null geodetica (percorso della luce) che lo percorreva. Un buco nero si forma nel percorso del geodetico appena prima che passi nel punto in cui si forma il buco nero. È l'ultimo geodetico a farlo.
Il vuoto non è vuoto. Consiste in alcune vibrazioni a causa del principio di incertezza. Questo campo del vuoto è composto da molte modalità di frequenza. Continuano a creare coppie anti-particella virtuali che si annichilano a vicenda. Si può pensare all'anti particella una vibrazione nel campo quantico con frequenza negativa, cioè che viaggia indietro nel tempo. Il buco nero si formò a scuotere alcune frequenze del geodetico che passava. Quindi il geodetico crea i suoi campi dalle frequenze rimanenti. E poiché l'anti particella può essere pensata come una particella con frequenza che viaggia indietro nel tempo, la sua frequenza viene sempre persa nel buco nero e il campo crea una particella virtuale dalle rimanenti modalità di frequenza.