¿Cómo disminuye exactamente la radiación de Hawking la masa de los agujeros negros?

Por lo que entiendo hasta ahora, cuando una de las partículas virtuales cruza el horizonte de eventos y la otra no, no pueden aniquilarse entre sí. Este último se adentra en el universo (por cierto, ¿sigue siendo virtual en este punto, y qué significa 'virtual' en este punto, si es así?), Mientras que el otro se consume por el agujero negro. No veo cómo este evento contribuye a la evaporación del agujero negro (ya que las partículas no se originan en el agujero negro). ¿No debería la partícula consumida realmente sumarse a la masa del agujero negro?

La pregunta más cercana a la mía es ¿La radiación de Hawking en realidad trae masa al universo? , pero no encuentro las respuestas satisfactorias.

Es decir, " la partícula virtual escapada es 'impulsada' por el campo gravitacional del agujero negro para que se convierta en una partícula real ", más bien se agrega a la pregunta y luego la responde.

EDITAR: Me siento honrado por el conocimiento presentado en las respuestas y me siento incompetente para marcar cualquiera como el más adecuado. Espero que esté bien.

Te voy a dar una respuesta intuitiva. Tenga en cuenta que esta no es la respuesta "real", ya que la radiación de Hawking es bastante más compleja que la típica explicación pop-sci con partículas virtuales. Sin embargo, es posible alguna justificación intuitiva.

No veo cómo este evento contribuye a la evaporación del agujero negro (ya que las partículas no se originan en el agujero negro).

Te estás perdiendo un punto clave aquí.

Cuando se generó el par, esas eran partículas virtuales. Después de que un lado del par fue absorbido por el agujero negro, y el otro lado fue liberado, la parte liberada es una partícula real. Gran diferencia allí: virtual versus real.

Las partículas virtuales realmente no existen de la misma manera que tú y yo existimos. Parecen existir por muy poco tiempo; cuanto más enérgicos son, más corto es el intervalo de su "existencia" virtual, según la ecuación de Heisenberg. En muchos sentidos, son solo un truco matemático.

Piense en el vacío, donde no existen partículas reales. Antes, solo es vacío. En este momento, un par virtual parpadea brevemente, luego desaparece. En el futuro, es el vacío nuevamente.

¿Cuál era la energía antes? Cero. ¿Cuál es la energía en el futuro? Cero. ¿Cuál es la energía durante el parpadeo? Bueno, básicamente es cero, dentro de los límites permitidos por las ecuaciones de Heisenberg. En pocas palabras, las partículas virtuales van y vienen, y no contribuyen al equilibrio energético de una parte vacía del espacio.

(Estoy ignorando el concepto de energía del vacío, en aras de una explicación intuitiva).

Pero digamos que una de las partículas virtuales queda atrapada por el agujero negro, por lo que no puede aniquilarse con su contraparte. La otra partícula vuela en la dirección opuesta y escapa del agujero negro. Lo que es peor, ahora es una partícula real: hemos excedido la duración permitida por las ecuaciones de Heisenberg, por lo que la que escapa ya no es virtual.

¿Cómo se hizo realidad esa partícula?

Este es un gran problema, porque las partículas virtuales no requieren un presupuesto de energía para existir brevemente, mientras que las partículas reales transportan energía para siempre. Algo evitó que el par virtual se aniquilara a sí mismo y elevó uno de los componentes al estado de partícula real. El par virtual tiene energía cero. La partícula real que se escapa tiene energía distinta de cero. Esa energía tiene que venir de algún lado.

Viene del agujero negro. El agujero negro cede parte de su masa / energía (lo mismo) para impulsar una partícula de virtual a real. La otra partícula se captura, pero al ser virtual de todos modos, realmente no importa.

Lo que esta explicación intuitiva no dice es cómo ocurre realmente el impulso. No sé, magia. De alguna manera, una de las partículas virtuales obtiene una porción de energía del agujero negro y se vuelve real.

Nuevamente, este no es el proceso real. El proceso real es más complejo . Esto es solo un cuento de hadas pop-sci.

EDITAR: para golpear más cerca de casa, la radiación de Hawking es más como un pariente cercano al efecto Unruh . Digamos que un observador inercial ve un espacio vacío aquí en este trozo de volumen. Un observador acelerado no vería el espacio vacío en el mismo volumen, sino que vería la radiación del cuerpo negro. Ese es el efecto Unruh.

Bueno, la gravedad y la aceleración son lo mismo, según la relatividad general. Entonces, la fuerte gravedad cerca de un agujero negro es equivalente a una fuerte aceleración. Algo similar al efecto Unruh debe suceder allí. Esa es la radiación de Hawking.

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

EDIT2: Las otras respuestas actualmente en esta página proporcionan puntos alternativos útiles, así que échales un vistazo también.

Estas notas de clase abordan los problemas hasta cierto punto, especialmente en las diapositivas 33-35.

Porque en el espacio-tiempo fuertemente deformado cerca del horizonte, las partículas virtuales hechas de fluctuaciones de vacío resultan tener una densidad de energía negativa.

Densidad de energía = energía por unidad de volumen.

Estas partículas tienen una masa positiva, ¡mira la que escapó! - pero su masa se distribuye de manera muy extraña en el espacio-tiempo. (Hablando mecánicamente cuánticamente, las partículas tienen un volumen distinto de cero; este es un aspecto de la dualidad onda-partícula).

La materia con densidad de energía negativa generalmente se llama materia exótica

y, un poco más tarde:

Las fluctuaciones del vacío mecánico cuántico en el espacio-tiempo plano, lejos de cualquier campo gravitacional fuerte, siempre tienen una densidad de energía neta cero; nunca pueden ser exóticos.

Sin embargo, en el espacio-tiempo deformado, las fluctuaciones de vacío son en general exóticas: su densidad de energía neta es negativa, según un observador distante que mide la densidad de energía observando la desviación de la luz por el conjunto de fluctuaciones. Cuanto más fuerte es la curvatura, más negativa se ve la densidad de energía.

Esta es la mejor explicación que he visto hasta ahora.

El principio de Heisenberg le permite violar temporalmente las leyes de conservación de energía (por ejemplo, crear pares de partículas de la nada) siempre y cuando pague todo a tiempo. Cuanto más grande es el par de partículas-antipartículas, más rápido tiene que pagarse. La conversión de un par virtual en un par real puede verse como una generación de "materia exótica" de energía negativa (lo que sea que sea eso) para representar la deuda impaga. Su energía es igual en tamaño al par con el signo opuesto. Esto luego cae en el agujero negro junto con una de las partículas, disminuyendo la masa del agujero negro en general.

El horizonte del agujero negro se interpone en el camino de recombinar algunos pares virtuales, por lo que estas conversiones virtual-> real sucederán.

Encontré esta conferencia con la misma idea (más detallada y menos descifrada): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf

No sé si los expertos estarán de acuerdo con esta descripción, pero así es como la entiendo:

Tanto el espacio como el horizonte de eventos están en constante fluctuación cuántica. Esencialmente, el horizonte de eventos tiene pequeñas ondas. En los puntos donde el horizonte de eventos se ondula (por encima del radio promedio del agujero negro), tiene una cantidad de energía local por encima del promedio. La intensa gravedad tira rápidamente de ese golpe local hacia abajo, el golpe de caída envía la concentración de energía local de vuelta al resto del horizonte de eventos.

Ahora consideremos posibles pares de partículas virtuales cerca del agujero. Si aparece un par de partículas virtuales estacionarias justo por encima del horizonte de sucesos, se recombinará y desaparecerá o todo se introducirá en el agujero y desaparecerá en cero. Necesitamos un par de partículas virtual que tenga un movimiento aparente lejos del agujero negro, a casi la velocidad de la luz. Si ese par de partículas virtuales va lo suficientemente rápido como para escapar por completo, se recombinan y desaparecen. Cero efecto neto. Necesitamos un par de partículas virtuales que se aleje del agujero negro a casi la velocidad de la luz, y necesitamos una onda en el horizonte que solo atrape una partícula virtual. Creo que la ondulación debe estar bajo una aceleración extrema hacia abajo para que se aleje de la segunda partícula virtual, para evitar atrapar ambas. Y aquí está la parte clave: La deuda energética entre el par de partículas los atrae intensamente el uno hacia el otro. La partícula atrapada está siendo empujada hacia arriba, efectivamente tirando hacia arriba en el horizonte que la atrapó. Esto ralentiza la caída de la ondulación del horizonte, disminuyendo la energía que la ondulación regresa al resto del agujero negro.

La energía requerida para separar las dos partículas virtuales es igual a la energía combinada de las dos partículas no virtuales. Entonces, la onda descendente pierde energía igual a dos partículas, y el agujero come una partícula. Todo se equilibra con la única partícula escapada.

Creo que funciona igual, independientemente de si las partículas virtuales son fotones o un par de materia-antimateria.

Aquí hay una analogía con la mecánica cuántica. Una partícula en QM puede hacer un túnel a través de una barrera imposible, que es cómo los elementos más pesados ​​que el plomo pueden hacer que algunos de sus neutrones "tunelen" fuera del núcleo escapando de los enlaces de la Fuerza Fuerte.

Un pequeño agujero negro es como una barrera cuántica a través de la cual se puede atravesar una partícula para escapar. Cuanto más pequeña es la barrera (Event Horizon), es más probable que pueda salir del túnel. Entonces, un micro agujero negro con una masa de 228 toneladas y un horizonte de eventos de 3.4 x 10 ^ -7 femtómetros (literalmente menos de una millonésima parte del tamaño de un protón) no retendrá sus partículas por mucho tiempo y en absoluto. De hecho, explotará en una explosión de Radiación Hawking después de exactamente 1 segundo .

Un agujero negro de masa de tierra más grande con un radio de un centímetro entero durará mucho más: 8 x 10 ^ 50 años porque es mucho menos probable que una partícula atraviese un centímetro completo para liberarse.

Fuente: Túnel cuántico a partir de agujeros negros tridimensionales: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Fuente: Radiación Hawking modelada como un efecto cuántico: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817