Y a-t-il une meilleure explication du rayonnement de Hawking?

J'écris un article sur le rayonnement de Hawking et je trouve que j'ai un problème. L'explication "donnée" que je trouve sur Wikipédia et ailleurs n'est pas satisfaisante:

"Un aperçu physique du processus peut être obtenu en imaginant que le rayonnement particule-antiparticule est émis juste au-delà de l'horizon des événements. Ce rayonnement ne provient pas directement du trou noir lui-même, mais est plutôt le résultat de particules virtuelles" boostées "par la gravitation du trou noir pour devenir de vraies particules ^[10] . Comme la paire particule-antiparticule a été produite par l'énergie gravitationnelle du trou noir, la fuite d'une des particules abaisse la masse du trou noir ^[11]. Une autre vue du processus est que les fluctuations du vide font apparaître une paire particule-antiparticule près de l'horizon des événements d'un trou noir. L'un des deux tombe dans le trou noir tandis que l'autre s'échappe. Afin de conserver l'énergie totale, la particule tombée dans le trou noir doit avoir eu une énergie négative ... "

Il s'appuie sur des particules virtuelles et des particules à énergie négative. Cependant, les fluctuations du vide ne sont pas la même chose que les particules virtuelles, qui n'existent que dans les mathématiques du modèle , et nous connaissons des particules à énergie négative. Je cherche donc une meilleure explication. L'article de Wikpedia dit également ceci:

"Dans un autre modèle, le processus est un effet de tunnel quantique, par lequel des paires particules-antiparticules se formeront à partir du vide, et une tunnelera en dehors de l'horizon des événements ^[10] ."

Cependant, cela suggère que la production de paires se produit à l'intérieur de l'horizon des événements, ce qui semble ne pas tenir compte de la dilatation temporelle gravitationnelle infinie, et que l'un d'entre eux a) apparaît en dehors de l'horizon des événements et b) s'échappe sous forme de rayonnement de Hawking lorsque la production de paires implique généralement la création de un électron et un positron. Encore une fois, ce n'est pas satisfaisant. Alors:

Y a-t-il une meilleure explication du rayonnement de Hawking?

— John Duffield
source

La particule qui tombe ne nécessite pas d'énergie négative. Tout ce qui compte, c'est que certains photons s'échappent à l'infini, ce qui signifie qu'une partie de l'énergie «empruntée» au champ gravitationnel est perdue (sous la forme de ces photons). Le champ gravitationnel s'affaiblit donc, ce qui réduit la masse / énergie apparente. Mais "apparent" est juste ce que nous considérons comme des observateurs éloignés. Ce qui se passe à l'intérieur de l'horizon des événements est ... de l'ordre de la conjecture à rien. Cela dit, je ne pense pas qu'il y ait une opinion majoritaire sur la façon dont le rayonnement survient, ou s'il existe même ...

— zibadawa timmy

Vous trouverez peut-être plus d'informations sur Physics SE étant donné la nature assez ésotérique de ce matériau.

— StephenG

A noté Stephen. @zibadawa timmy: mais comment "empruntez-vous" de l'énergie à un champ gravitationnel? Et si vous le faites, comment l'énergie s'échappe-t-elle alors de l'horizon des événements pour la même chose jusqu'à ce que vous vous retrouviez sans trou noir?

— John Duffield

John, d'après vos questions, il semble que vous ne compreniez pas les concepts d'énergie potentielle ou d'énergie stockée dans les champs (gravitationnel, électrique, etc.). Je commencerais par lire sur ces concepts.

— Carl Witthoft

1. Toutes ces explications verbales ne sont que des métaphores. La vraie affaire est de faire les calculs de Hawking - c'est la vraie explication. 2. Voici une autre métaphore: le trou noir n'est rien d'autre qu'une formidable courbure d'espace-temps liée à lui-même - et le nom que nous avons pour la courbure d'espace-temps est «gravité». Le trou noir n'est rien d'autre que la gravité, suffisamment intense pour persister. Les paires p / anti-p sont créées de la même manière que tout champ extrêmement intense peut générer des particules: lorsque vous avez beaucoup d'énergie, les particules peuvent en sortir. Par exemple, le rayonnement électromagnétique pourrait le faire aussi.

— Florin Andrei

Réponses:

Andy Gould a proposé une dérivation classique du rayonnement de Hawking dans un article quelque peu obscur de 1987 . L'argument essentiel est qu'un trou noir doit avoir une entropie finie non nulle (sinon vous pourriez violer la deuxième loi de la thermodynamique avec un trou noir). De plus, l'entropie du trou noir ne doit dépendre que de sa surface (sinon vous pourriez changer la surface d'un trou noir via le processus de Penrose et baisser son entropie et faire une machine à mouvement perpétuel). Si un trou noir a une entropie et une masse, alors il a une température. S'il a une température, alors il doit rayonner thermiquement (sinon vous pourriez à nouveau violer la deuxième loi de la thermodynamique).

Bien sûr, si vous regardez la température de rayonnement de Hawking, il y a une constante de Planck là-dedans, donc il doit savoir quelque chose sur la mécanique quantique, non? Mais il s'avère que c'est en fait la thermodynamique en général qui connaît la mécanique quantique, pas la relativité générale --- La constante de Planck n'est nécessaire que pour garder les entropies finies (et donc les températures non nulles). Cela est vrai des trous noirs et des corps noirs.

— J. O'Brien Antognini
source

$^{[8]}$ $_{BH}$

Vous n'abaissez pas la boîte exactement jusqu'à l'horizon des événements, seulement près de l'horizon des événements. Il y a donc une dilatation du temps, mais elle n'est pas infinie et le rayonnement peut être échangé.

— J. O'Brien Antognini

Il me manque quelque chose ici. Si vous abaissez la boîte gedanken à un endroit proche de l'horizon des événements, puis échangez le rayonnement avec le trou, puis lorsque vous tirez la boîte vers le haut, il n'y a pas de rayonnement. En supposant que le trou noir a avalé le rayonnement (ou au moins une partie), la masse du trou noir augmente. Je vais voir si je peux trouver une autre explication du scénario de Geroch.

— John Duffield

J'ai trouvé cela , voir page 2, mais c'est faux. Lorsque vous abaissez la boîte et travaillez, à l'horizon des événements, la boîte a la moitié de l'énergie avec laquelle elle a commencé. Et aïe, j'ai trouvé cela aussi: arxiv.org/abs/physics/0501056 .

— John Duffield

Je ne ferais pas confiance au papier Arxiv que vous avez lié --- il a environ 12 ans mais n'a jamais été publié dans une revue à comité de lecture et n'a aucune citation. Cela me semble bizarre. Et dans la première référence (plus fiable), je ne sais pas où vous obtenez que la boîte a la moitié de l'énergie avec laquelle elle a commencé.

— J. O'Brien Antognini

Il y a une assez bonne explication sur cette page Web . Un passage clé est le suivant:

dans l'espace-temps courbe, il n'y a pas ces "meilleurs" systèmes de coordonnées, les systèmes inertiels. Ainsi, même des choix différents de coordonnées très raisonnables peuvent donner lieu à des désaccords entre particules et antiparticules, ou quel est le vide. Ces désaccords ne signifient pas que "tout est relatif", car il existe de belles formules pour traduire entre les descriptions dans différents systèmes de coordonnées. Ce sont des transformations de Bogoliubov.

En particulier, il poursuit en disant

d'une part, nous pouvons diviser les solutions des équations de Maxwell en fréquence positive de la manière la plus évidente que quelqu'un loin du trou noir et loin dans le futur le ferait ...

et d'autre part, nous pouvons diviser les solutions des équations de Maxwell en fréquence positive de la manière la plus évidente que quelqu'un dans le passé, avant que l'effondrement dans un trou noir ne se produise, le ferait.

Ainsi, ce que l'observateur pensait dans un passé lointain était vraiment un espace vide sans particules (ni virtuelles) ou antiparticules, un observateur dans un avenir lointain pourrait voir comme un espace avec des particules (et des antiparticules) parfaitement bonnes. Ces particules sont des radiations Hawking.

— Steve Linton
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