In che modo esattamente la radiazione Hawking riduce la massa dei buchi neri?

Da quello che ho capito finora, quando una delle particelle virtuali attraversa l'orizzonte degli eventi e l'altra no, non possono annullarsi a vicenda. Quest'ultimo si allontana nell'universo (tra l'altro, è ancora virtuale a questo punto, e cosa significa "virtuale" a questo punto, se è così?), Mentre l'altro viene consumato dal buco nero. Non vedo come questo evento contribuisca all'evaporazione del buco nero (poiché le particelle non provengono dal buco nero). La particella consumata non dovrebbe effettivamente sommarsi alla massa del buco nero?

La domanda più vicina alla mia è : la radiazione Hawking porta effettivamente massa nell'universo? , ma non trovo le risposte soddisfacenti.

Vale a dire " la particella virtuale evasa viene" potenziata "dal campo gravitazionale del buco nero per diventare una particella reale ", piuttosto aggiunge alla domanda e poi risponde.

EDIT: Sono umiliato dalla conoscenza presentata nelle risposte e mi sento incompetente a contrassegnarne uno come il più adatto. Spero che vada bene.

Ti darò una risposta intuitiva. Ricorda, questa non è la risposta "reale", in quanto la radiazione di Hawking è un po 'più complessa della tipica spiegazione pop-sci con particelle virtuali. Ma è comunque possibile una giustificazione intuitiva.

Non vedo come questo evento contribuisca all'evaporazione del buco nero (poiché le particelle non provengono dal buco nero).

Ti manca un punto chiave qui.

Quando la coppia è stata generata, quelle erano particelle virtuali. Dopo che un lato della coppia è stato assorbito dal buco nero e l'altro lato è stato rilasciato, la parte rilasciata è una vera particella. Enorme differenza lì - virtuale vs reale.

Le particelle virtuali non esistono davvero nello stesso modo in cui tu ed io esistiamo. Sembrano esistere per un tempo molto breve; più sono energici, più breve è l'intervallo della loro "esistenza" virtuale, secondo l'equazione di Heisenberg. In molti modi sono solo un trucco matematico.

Pensa al vuoto, dove non esistono particelle reali. Prima era solo il vuoto. In questo momento, una coppia virtuale lampeggia brevemente, quindi non c'è più. In futuro, è di nuovo il vuoto.

Qual era l'energia prima? Zero. Qual è l'energia in futuro? Zero. Qual è l'energia durante lo sfarfallio? Bene, praticamente zero, entro i limiti consentiti dalle equazioni di Heisenberg. La linea di fondo è che le particelle virtuali vanno e vengono e non contribuiscono al bilancio energetico di un pezzo di spazio vuoto.

(Sto ignorando qui il concetto di energia del vuoto, per amore di una spiegazione intuitiva.)

Ma supponiamo che una delle particelle virtuali rimanga intrappolata dal buco nero, quindi non può annichilirsi con la sua controparte. L'altra particella vola nella direzione opposta e sfugge al buco nero. Quel che è peggio, ora è una vera particella: abbiamo superato la durata consentita dalle equazioni di Heisenberg, quindi quella che sfugge non è più virtuale.

In che modo quella particella è diventata reale?

Questo è un grosso problema, perché le particelle virtuali non richiedono un budget energetico per esistere brevemente, mentre le particelle reali trasportano energia per sempre. Qualcosa ha impedito alla coppia virtuale di annientarsi, e ha portato uno dei componenti allo stato di particella reale. La coppia virtuale ha energia zero. La vera particella che si allontana ha un'energia diversa da zero. Quell'energia deve venire da qualche parte.

Viene dal buco nero. Il buco nero abbandona parte della sua massa / energia (stessa cosa) per potenziare una particella da virtuale a reale. L'altra particella viene catturata, ma essendo comunque virtuale, non importa.

Ciò che questa spiegazione intuitiva non dice è come effettivamente avvenga la spinta. Non lo so, magia. In qualche modo una delle particelle virtuali ottiene un pezzo di energia dal buco nero e diventa reale.

Ancora una volta, questo non è il processo reale. Il processo effettivo è più complesso . Questa è solo una fiaba pop-sci.

EDIT: per colpire più vicino a casa, la radiazione di Hawking è più simile a un parente stretto dell'effetto Unruh . Supponiamo che un osservatore inerziale veda uno spazio vuoto qui in questo pezzo di volume. Un osservatore in accelerazione non vedrebbe spazio vuoto nello stesso volume, ma vedrebbe invece la radiazione del corpo nero. Questo è l'effetto Unruh.

Bene, la gravità e l'accelerazione sono la stessa cosa, per relatività generale. Quindi la forte gravità vicino a un buco nero equivale a una forte accelerazione. Qualcosa di simile all'effetto Unruh deve accadere lì. Questa è la radiazione di Hawking.

http://backreaction.blogspot.com/2015/12/hawking-radiation-is-not-produced-at.html

EDIT2: Le altre risposte attualmente in questa pagina forniscono utili punti alternativi, quindi dai un'occhiata anche a loro.

Questi appunti delle lezioni affrontano i problemi in una certa misura, specialmente nelle diapositive 33-35.

Perché nello spaziotempo fortemente deformato vicino all'orizzonte, le particelle virtuali fatte dalle fluttuazioni del vuoto risultano avere una densità di energia negativa.

Densità di energia = energia per unità di volume.

Queste particelle hanno davvero una massa positiva - guarda quella che è fuggita! - ma la loro massa è distribuita in modo molto strano nello spaziotempo. (Dal punto di vista quantico-meccanico, le particelle hanno un volume diverso da zero; questo è un aspetto della dualità onda-particella.)

La materia con densità di energia negativa è generalmente chiamata materia esotica

e, un po 'più tardi:

Le fluttuazioni quantistiche del vuoto meccanico nello spaziotempo piatto - lontano da qualsiasi campo gravitazionale forte - hanno sempre una densità di energia netta zero; non possono mai essere esotici.

Tuttavia, nello spaziotempo deformato, le fluttuazioni del vuoto sono generalmente esotiche: la loro densità di energia netta è negativa, secondo un osservatore distante che misura la densità di energia osservando la deflessione della luce da parte dell'insieme delle fluttuazioni. Più forte è la curvatura, più negativa è la densità di energia.

Questa è la migliore spiegazione che ho visto finora.

Il principio di Heisenberg ti consente di violare temporaneamente le leggi sul risparmio energetico (ad es. Creare coppie di particelle dal nulla) fintanto che ripaghi tutto in tempo. Più è grande la coppia particella-antiparticella, più velocemente deve essere rimborsata. La conversione di una coppia virtuale in una coppia reale può essere vista come la generazione di un po 'di "materia esotica" di energia negativa (qualunque cosa sia) per rappresentare il debito non pagato. La sua energia è di dimensioni uguali alla coppia con il segno opposto. Questo quindi cade nel buco nero insieme a una delle particelle, diminuendo la massa del buco nero in generale.

L'orizzonte del buco nero ostacola la ricombinazione di alcune coppie virtuali, quindi queste conversioni virtuali-> reali avverranno.

Ho trovato questa lezione con la stessa idea (più dettagliata e meno macellata): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf

Non so se gli esperti saranno d'accordo con questa descrizione, ma ecco come la capisco:

Sia lo spazio che l'orizzonte degli eventi sono in costante fluttuazione quantistica. In sostanza, l'orizzonte degli eventi ha piccole increspature. Nei punti in cui l'orizzonte degli eventi si increspa (sopra il raggio medio del buco nero), ha una quantità di energia locale superiore alla media. L'intensa gravità tira rapidamente indietro quel bump locale, il bump in calo restituisce la concentrazione di energia locale attraverso il resto dell'orizzonte degli eventi.

Consideriamo ora possibili coppie di particelle virtuali vicino al buco. Se una coppia di particelle virtuale stazionaria appare appena sopra l'orizzonte degli eventi, o si ricombinerà e svanirà o l'intera cosa verrà trascinata nel buco e svanirà a zero. Abbiamo bisogno di una coppia di particelle virtuale che abbia un movimento apparente lontano dal buco nero, quasi alla velocità della luce. Se quella coppia di particelle virtuale sta andando abbastanza veloce da sfuggire completamente, si ricombinano e svaniscono. Effetto netto zero. Abbiamo bisogno di una coppia di particelle virtuale che si sta allontanando dal buco nero quasi alla velocità della luce e abbiamo bisogno di un'increspatura nell'orizzonte che catturi solo una particella virtuale. Credo che l'ondulazione debba essere sotto un'estrema accelerazione verso il basso perché si allontani dalla seconda particella virtuale, per evitare di catturare entrambi. Ed ecco la parte chiave: Il debito energetico tra la coppia di particelle li tira intensamente l'uno verso l'altro. La particella intrappolata viene tirata verso l'alto, tirando effettivamente verso l'alto sull'orizzonte che l'ha intrappolata. Questo rallenta la caduta dell'increspatura dell'orizzonte, diminuendo l'energia che l'increspatura che cade ritorna al resto del buco nero.

L'energia richiesta per separare le due particelle virtuali è uguale all'energia combinata delle due particelle non virtuali. Quindi l'ondulazione che cade perde energia pari a due particelle e il buco mangia una particella. Tutto si bilancia con l'unica particella sfuggita.

Credo che funzioni allo stesso modo, indipendentemente dal fatto che le particelle virtuali siano fotoni o una coppia materia-antimateria.

Ecco un'analogia con la meccanica quantistica. Una particella in QM può scavalcare una barriera impossibile, che è il modo in cui gli elementi più pesanti del piombo possono avere alcuni dei loro neutroni "tunnel" fuori dal nucleo che fuoriesce dai legami della Forza Forte.

Un piccolo buco nero è come una barriera quantistica attraverso la quale una particella può essere attraversata per sfuggire. Più piccola è la barriera (Event Horizon), più è probabile che sia in grado di scavare. Quindi un micro buco nero con una massa di 228 tonnellate e un orizzonte temporale di 3,4 x 10 ^ -7 femtometri (letteralmente inferiore a 1 milionesimo delle dimensioni di un protone) non si attaccherà alle sue particelle per molto tempo e per niente. In effetti esploderà in una raffica di radiazioni Hawking dopo esattamente 1 secondo .

Un buco nero di massa terrestre più grande con un raggio di un centimetro intero , durerà molto più a lungo: 8 x 10 ^ 50 anni perché è molto meno probabile che una particella attraversi un intero centimetro per raggiungere la libertà.

Fonte: tunnel quantistico da buchi neri tridimensionali: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Fonte: Hawking Radiation modellato come effetto quantico: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817