Agujero negro / Radiación de Hawking: ¿Por qué solo capturar antipartículas?

Puedo tener algunos detalles incorrectos aquí. Si es así, no te enfoques en eso. Solo concéntrate en el enfoque general de mi pregunta.

"Entiendo" (tos) que los pares de partículas / antipartículas se forman espontáneamente en el espacio. Entiendo que pueden formarse cerca del horizonte de eventos de un agujero negro, y que una partícula puede caer, donde la otra partícula apenas puede escapar. Entiendo que una antipartícula se aniquilará con una partícula. Lo que no entiendo es por qué solo las antipartículas de estos pares de partículas virtuales caen en el agujero negro, mientras que las otras simplemente logran escapar. ¿No deberían tanto la partícula como la antipartícula tener la misma oportunidad de caer, o simplemente escapar?

Parece que debería haber la misma posibilidad de que la partícula o la antipartícula se capturen mientras la otra "se expulsa". Por lo tanto, parece que el agujero negro debería estar algo estable en cuanto al cambio de masa con respecto a las partículas virtuales.

¿Explique?

Pensé que la antipartícula se aniquilaba con una masa "normal" dentro del agujero negro ¿No?

No. Primero, tanto las partículas como las antipartículas tienen masa "normal" (en caso de que tengan masa en primer lugar) y energía "normal" (positiva). La distinción entre ellos es una cuestión de convención o una cuestión de qué tipo es más común en el universo. Además, para los agujeros negros en masa típicos, la mayor parte de la radiación de Hawking estaría hecha de fotones, que propiamente ni siquiera tienen antipartículas, aunque también se podría decir que son su propia antipartícula.

¿No deberían tanto la partícula como la antipartícula tener la misma oportunidad de caer, o simplemente escapar?

Sí, y los no cargados lo hacen. Un agujero negro más pequeño irradiaría tanto neutrinos como antineutrinos, suponiendo que todos los neutrinos sean masivos (de lo contrario, todos los agujeros negros ya lo harían), y uno suficientemente pequeño (y por lo tanto suficientemente caliente) irradiaría electrones y positrones. En términos generales, un agujero negro irradiará cantidades no despreciables de partículas masivas cuando la temperatura del agujero negro sea del orden de la masa de partículas o mayor, en unidades naturales.

Parece que debería haber la misma posibilidad de que la partícula o la antipartícula se capturen mientras la otra "se expulsa".

Correcto, con una pequeña excepción de que si un agujero negro caliente tiene carga eléctrica, es más probable que irradie partículas del mismo signo de carga.

Por lo tanto, parece que el agujero negro debería estar algo estable en cuanto al cambio de masa con respecto a las partículas virtuales.

Si una partícula o una antipartícula cae en un agujero negro, su masa aumentará. No importa. Fundamentalmente, la "razón" para la radiación de Hawking es que el estado de vacío en la teoría del campo cuántico es un estado de energía más baja, pero diferentes observadores pueden estar en desacuerdo sobre qué estado es el vacío. Por lo tanto, dado que las partículas son fluctuaciones en la parte superior del vacío, pueden estar en desacuerdo sobre si hay partículas o no.

No creo que haya una buena manera de reparar la historia de "caída de antipartículas", excepto algún atractivo indirecto para la conservación de la energía: si la partícula que escapa es real y tiene energía positiva, la que cayó debe tener energía negativa, y por lo tanto disminuya la masa del agujero negro. Desafortunadamente, eso solo muestra lo que debe suceder para que la situación sea consistente, no es que realmente suceda.

Aunque con cierto conocimiento de la relatividad general, uno puede motivar esto un poco más, por ejemplo, para el agujero negro de Schwarzschild, existe una conservación de energía dada por un campo vectorial de Killing, que va desde el tiempo hasta el espacio en el horizonte, así que qué externo El observador considera que el tiempo / energía sería espacio / momento dentro del agujero negro, y se permite que el momento sea negativo.

Primero, me gustaría señalar y felicitar la respuesta de @ user83692435 que vino primero y es correcta. Expandiéndolo:

La imagen de un par virtual de partículas / antipartículas que se está creando y luego uno de los pares que se traga el horizonte de eventos dejando al otro como real es una analogía que proporciona una imagen de lo que está sucediendo, pero definitivamente no es correcta. Los divulgadores continúan usándolo porque lo que realmente está sucediendo es extremadamente complejo y no es fácil de explicar con palabras. (¡Y no lo intentaré!) Pero aquí hay un enlace a un documento técnico sobre el tema .

Pero quizás el punto más revelador en contra de la explicación simple es que la radiación de Hawking no proviene del horizonte de eventos que requiere la analogía, sino del espacio exterior.

Un segundo punto en contra de la analogía de Hawking es que el horizonte de eventos es enormemente profundo en el pozo potencial del agujero negro. Para que una partícula o fotón escape del BH (que debe ser la radiación de Hawking) debe crearse con suficiente energía adicional para escapar del BH, y un BH puede pensarse en un objeto con una velocidad de escape mayor que la velocidad de la luz. Las pequeñas partículas virtuales débiles que perdieron a su compañero ante el BH nunca lo lograron.

Si desea profundizar un poco más, le recomiendo el blog Backreaction de Sabine Hossenfelder, que tiene una larga publicación con muchos enlaces para obtener más información. Backreaction es uno de los mejores blogs de física de frontera que popularizan estos días, en gran parte porque Hossenfelder es un investigador activo y un buen escritor.

Has recordado un poco mal una forma común (aunque mala) de describir la radiación de Hawking. Los divulgadores físicos a veces lo describen como un par de partículas que se crean, una de las cuales es materia y la otra es materia negativa. O uno de los cuales es antimateria y el otro es antimateria negativa. Entonces su protón escapa y su protón de materia negativa es absorbido. O su antiprotón escapa y su antiprotón-antimateria negativo es absorbido. La materia negativa (o antimateria negativa) encoge el agujero negro.

Aunque esta es una forma común de describir cosas para los no físicos, es una mala manera de describirlo. Es confuso porque sugiere la pregunta exacta que planteaste: ¿por qué la materia negativa no vuela hacia afuera y encoge la primera estrella o planeta que golpea? Además, la materia negativa nunca se ha detectado. No hay una razón particular para pensar que es una construcción útil para comprender los agujeros negros. (Aunque si existiera, podría usarlo para estabilizar los agujeros de gusano, lo que podría ser muy útil).

Es mejor describir la radiación de Hawking como lo han hecho las otras respuestas aquí, sin recurrir a partículas negativas virtuales.

Esta explicación de la radiación de Hawking como partículas virtuales que se forman y una partícula cae en un agujero negro es incompleta. Stephen Hawking originalmente imaginó un camino desde un pasado lejano a un futuro lejano y una geodésica nula (camino de luz) recorriéndolo. Se forma un agujero negro en el camino de la geodésica justo antes de que pase el lugar donde se forma el agujero negro. Es la última geodésica en hacerlo.
El vacío no está vacío. Consiste en algunas vibraciones debido al principio de incertidumbre. Este campo de vacío está compuesto por muchos modos de frecuencia. Siguen creando pares virtuales de partículas anti-partículas aniquilándose entre sí. Se puede pensar que la antipartícula es una vibración en el campo cuántico que tiene una frecuencia negativa, es decir, que viaja en el tiempo. El agujero negro formado empuja algunas frecuencias de la geodésica que pasó. Entonces la geodésica crea sus campos a partir de las frecuencias restantes. Y como la antipartícula puede considerarse una partícula con una frecuencia que viaja hacia atrás en el tiempo, su frecuencia siempre se pierde en el agujero negro y el campo crea una partícula virtual a partir de los modos de frecuencia restantes.