Чорна діра / випромінювання Хокінга: Чому тільки захоплюють античастинки?

У мене, можливо, тут є якась конкретна помилка. Якщо так, то не зосередьтеся на них. Просто зосередиться на загальній суті мого питання.

Я "розумію" (кашель), що пари частинок / античастинок утворюються спонтанно в просторі. Я розумію, що вони можуть утворюватися біля горизонту події чорної діри, і що одна частинка може потрапити, де, як і інша частинка ледве може вирватися. Я розумію, що античастинка знищить частинку. Що я не розумію, це те, чому лише античастинки цих віртуальних пар частинок потрапляють у чорну діру, а інші просто вдається вирватися. Чи не повинні як частинки, так і античастинки мати однакові шанси стати тим, хто впаде, або просто вдасться втекти?

Здається, що має бути рівний шанс, щоб частинка, або античастинка, була захоплена, поки інша "викидається". Тож здається, що чорна діра повинна бути дещо стійкою, що стосується зміни маси стосовно віртуальних частинок.

Поясніть?

Я думав, що античастинка знищується "нормальною" масою всередині чорної діри? Ні?

Ні. По-перше, і частинки, і античастинки мають "нормальну" масу (якщо вони мають масу в першу чергу) і "нормальну" (позитивну) енергію. Відмінність між ними є або питанням конвенції, або питанням, який тип частіше зустрічається у Всесвіті. Крім того, для типово масованих затемнених отворів основну частину випромінювання Хокінга становлять фотони, які, правильно кажучи, не мають навіть античастинок, хоча можна також сказати, що вони є власною античастинкою.

Чи не повинні як частинки, так і античастинки мати однакові шанси стати тим, хто впаде, або просто вдасться втекти?

Так, і незаряджені. Менша чорна діра випромінювала б як нейтрино, так і антинейтрино, припускаючи, що всі нейтрино є масивними (інакше всі чорні діри це зробили б уже), а досить невелика (і, таким чином, досить гаряча) випромінювала б і електрони, і позитрони. Дуже орієнтовно, чорна діра випромінює незначні кількості масивних частинок, коли температура чорної діри буде в порядку природних одиниць на масу частинок або більше.

Здається, що має бути рівний шанс, щоб частинка, або античастинка, була захоплена, поки інша "викидається".

Правильно, за незначним винятком, що якщо гаряча чорна діра має електричний заряд, то швидше випромінюють частинки того ж знака заряду.

Тож здається, що чорна діра повинна бути дещо стійкою, що стосується зміни маси стосовно віртуальних частинок.

Якщо в чорну діру потрапить або частинка, або античастинка, її маса збільшиться. Це не має значення. Принципово, "причиною" випромінювання Хокінга є те, що стан вакууму в теорії квантового поля - це стан найнижчої енергії, але різні спостерігачі можуть не погоджуватися, в якому стані знаходиться вакуум. Таким чином, оскільки частинки є флуктуацією у верхній частині вакууму, вони можуть не погоджуватися щодо того, чи є частинки чи ні.

Я не думаю, що існує хороший спосіб виправити історію "антипадіння", окрім певного заклику до енергозбереження: якщо частинка, що витікає, реальна і має позитивну енергію, та, що потрапила, повинна мати негативну енергію, і тому зменшується маса чорної діри. На жаль, це лише показує, що має відбутися, щоб ситуація була послідовною, а не те, що насправді відбувається.

Хоча, маючи певні знання про загальну відносність, це можна трохи мотивувати далі - наприклад, для чорної діри Шварцшильда існує енергозбереження, яке дає поле векторного вбивства, яке переходить від часового до космічного на горизонті - так що зовнішнє спостерігач вважає, що час / енергія буде простором / імпульсом всередині чорної діри, а імпульс може бути негативним.

По-перше, я хотів би зазначити і похвалити відповідь @ user83692435, яка була першою і є правильною. Розширення на ньому:

Зображення створюваної віртуальної пари / античастинок, а потім одна з пар, ковтається горизонтом події, залишаючи іншу як справжню, є аналогією, яка дає уявлення про те, що відбувається, але, безумовно, не вірна. Популяризатори продовжують використовувати його, оскільки те, що відбувається насправді, надзвичайно складне і не легко пояснити словами. (І я не намагатимусь!) Але ось посилання на технічний документ на цю тему .

Але, мабуть, найбільш показовим моментом проти простого пояснення є те, що випромінювання Хокінга відбувається не з горизонту подій, якого вимагає аналогія, а з простору поза ним!

Другий момент проти аналогії Хокінга полягає в тому, що горизонт подій надзвичайно глибоко знаходиться в потенційному колодязі чорної діри. Для того, щоб частинка або фотон вирвалися з БХ (що має випромінювання Хокінга), він повинен бути створений достатньою додатковою енергією для виходу з БЧ - і БЧ може вважатися предметом зі швидкістю втечі, що перевищує швидкість світла. Вигадливі маленькі віртуальні частинки, які втратили свого партнера в БГ, ніколи не зможуть розібратися.

Якщо ви хочете копати трохи глибше, я рекомендую блог Сабіни Хоссенфелдер Backreaction, який має довгий пост з великою кількістю посилань на додаткову інформацію. Відступ - один з найкращих прикордонних фізиків, що популяризують блоги, що відбуваються в наші дні, значною мірою тому, що Хоссенфелдер - активний дослідник і хороший письменник.

Ви трохи згадали про загальний (хоча і поганий) спосіб опису випромінювання Хокінга. Популяризатори фізики іноді описують це як пару частинок, що створюються, одна з яких - матерія, а друга - негативна матерія. Або одна з яких - антиматерія, а інша - негативна протиречовина. Так ваш протон тікає, і ваш негативний протон поглинається. Або ваш антипротон витікає, і ваш негативний антиматеріал-антипротон поглинається. Негативна речовина (або негативна антиматерия) стискає чорну діру.

Хоча це звичайний спосіб описати речі для нефізиків, це погано описати. Це заплутано, оскільки він пропонує точне запитання, яке ви поставили: чому негативна матерія не вилітає назовні і не зменшує першу зірку чи планету, яку вона потрапила? Також негативні речовини ніколи не виявлялися. Немає конкретних причин вважати, що це корисна конструкція для розуміння чорних дір. (Хоча якщо б вона існувала, ви могли б використовувати її для стабілізації червоточин, що може бути дуже корисно).

Краще описати випромінювання Хокінга як інші відповіді тут, не вдаючись до віртуальних негативних частинок.

Це пояснення випромінювання Хокінга як віртуальних частинок, що утворюються, і одна частинка, що потрапляє в чорну діру, є неповною. Стівен Хокінг спочатку уявляв собі шлях від далекого минулого до далекого майбутнього і нульову геодезичну (шлях світла), що подорожує нею. Чорна діра утворюється на шляху геодезики безпосередньо перед тим, як вона проходить місце, де утворюється чорна діра. Це останній геодезик, який це зробив.
Вакуум не порожній. Він складається з деяких коливань через принцип невизначеності. Це вакуумне поле складається з багатьох режимів частоти. Вони продовжують створювати віртуальну пару античастинок, знищуючи одна одну. Протичастинку можна вважати вібрацією в квантовому полі, що має негативну частоту, тобто, подорожує назад у часі. Чорна діра утворила нульові частоти геодезики, яка пройшла. Таким чином, геодезика створює поля з залишкових частот. І як античастинку можна розглядати як частинку з частотою, що рухається назад у часі, її частота завжди втрачається до чорної діри, і поле створює віртуальну частинку з режимів, що залишаються частотою.