Comment le rayonnement de Hawking diminue-t-il exactement la masse des trous noirs?

D'après ce que j'ai compris jusqu'à présent, lorsqu'une des particules virtuelles traverse l'horizon des événements et que l'autre ne le fait pas, elles ne peuvent pas s'anéantir l'une l'autre. Ce dernier se perd dans l'univers (d'ailleurs, est-il toujours virtuel à ce stade, et que signifie «virtuel» à ce stade, le cas échéant?), Tandis que l'autre se consume par le trou noir. Je ne vois pas en quoi cet événement contribue à l'évaporation du trou noir (puisque les particules ne proviennent pas du trou noir). La particule consommée ne devrait-elle pas s’ajouter à la masse du trou noir?

La question la plus proche est la suivante : le rayonnement de Hawking apporte-t-il de la masse à l'univers? , mais je ne trouve pas les réponses satisfaisantes.

C'est-à-dire " la particule virtuelle échappée est" boostée "par le champ gravitationnel du trou noir pour devenir une particule réelle ", ajoute-t-il plutôt à la question, puis répondez-y.

EDIT: Je suis humilié par les connaissances présentées dans les réponses et je me sens incompétent pour en qualifier les plus appropriées. J'espère que ça va.

Je vais vous donner une réponse intuitive. N'oubliez pas que ce n'est pas la réponse "réelle", car le rayonnement de Hawking est un peu plus complexe que l'explication typique de la pop-sci avec des particules virtuelles. Mais une justification intuitive est néanmoins possible.

Je ne vois pas en quoi cet événement contribue à l'évaporation du trou noir (puisque les particules ne proviennent pas du trou noir).

Vous manquez un point clé ici.

Lorsque la paire a été générée, il s’agissait de particules virtuelles. Une fois qu'un côté de la paire a été absorbé par le trou noir et que l'autre côté a été libéré, la partie libérée est une véritable particule. Énorme différence là-bas - virtuel vs réel.

Les particules virtuelles n'existent pas vraiment de la même manière que vous et moi existons. Ils semblent exister très peu de temps; plus ils sont énergiques, plus l'intervalle de leur "existence" virtuelle est court, selon l'équation de Heisenberg. À bien des égards, ils ne sont qu'une astuce mathématique.

Pensez au vide, où aucune particule réelle n'existe. Avant, c'est juste le vide. À l'heure actuelle, une paire virtuelle scintille brièvement, puis disparaît. Dans le futur, c'est de nouveau le vide.

Quelle était l'énergie avant? Zéro. Quelle est l'énergie dans le futur? Zéro. Quelle est l'énergie pendant le scintillement? Eh bien, il est essentiellement égal à zéro, dans les limites permises par les équations de Heisenberg. En bout de ligne, les particules virtuelles vont et viennent, et elles ne contribuent pas à l'équilibre énergétique de certaines parties vides de l'espace.

(J'ignore ici le concept d'énergie du vide, par souci d'explication intuitive.)

Mais supposons qu'une des particules virtuelles soit piégée par le trou noir, elle ne peut donc pas être annihilée avec son homologue. L'autre particule s'envole dans la direction opposée et s'échappe du trou noir. Pire, c'est maintenant une particule réelle - nous avons dépassé la durée permise par les équations de Heisenberg, de sorte que celle qui s'échappe n'est plus virtuelle.

Comment cette particule est-elle devenue réelle?

C'est un gros problème, car les particules virtuelles n'ont pas besoin d'un budget énergétique pour exister brièvement, alors que les vraies particules transportent de l'énergie pour toujours. Quelque chose a empêché la paire virtuelle de s’anéantir et a propulsé l’un des composants au statut de particule réelle. La paire virtuelle a zéro énergie. La vraie particule qui s'en tire a une énergie non nulle. Cette énergie doit venir de quelque part.

Cela vient du trou noir. Le trou noir cède une partie de sa masse / énergie (même chose) pour augmenter une particule du virtuel au réel. L'autre particule est capturée - mais être virtuel de toute façon, cela n'a pas vraiment d'importance.

Ce que cette explication intuitive ne dit pas, c'est comment l'accélération se produit réellement. Je ne sais pas, magie. D'une manière ou d'une autre, l'une des particules virtuelles tire une partie de l'énergie du trou noir et devient réelle.

Encore une fois, ce n'est pas le processus réel. Le processus actuel est plus complexe . Ceci est juste un conte de fées pop-sci.

EDIT: Pour frapper plus près de chez soi, le rayonnement de Hawking s'apparente davantage à un effet relatif par rapport à l' effet Unruh . Supposons qu'un observateur par inertie voie ici un espace vide dans ce bloc de volume. Un observateur en accélération ne verrait pas d'espace vide dans le même volume, mais verrait plutôt le rayonnement du corps noir. C'est l'effet Unruh.

Eh bien, gravité et accélération sont la même chose, par relativité générale. Ainsi, la forte gravité près d'un trou noir équivaut à une forte accélération. Quelque chose de semblable à l'effet Unruh doit se produire là-bas. C'est le rayonnement de Hawking.

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

EDIT2: Les autres réponses actuellement sur cette page fournissent des points alternatifs utiles, alors vérifiez-les aussi.

Ces notes de cours traitent des problèmes dans une certaine mesure, en particulier sur les diapositives 33 à 35.

Parce que dans l'espace-temps fortement déformé près de l'horizon, les particules virtuelles formées à partir de fluctuations de vide se révèlent avoir une densité d'énergie négative.

Densité d'énergie = énergie par unité de volume.

Ces particules ont en effet une masse positive - regardez celle qui s'est échappée! - mais leur masse est très étrangement répartie dans l'espace-temps. (Quantum-mécaniquement parlant, les particules ont un volume non nul; c'est un aspect de la dualité onde-particule.)

La matière à densité d'énergie négative est généralement appelée matière exotique

et un peu plus tard:

Les fluctuations de vide mécanique quantique dans un espace-temps plat - loin de tout champ gravitationnel - ont toujours une densité d'énergie nette nulle; ils ne peuvent jamais être exotiques.

Cependant, dans l’espace-temps déformé, les fluctuations du vide sont généralement exotiques: leur densité énergétique nette est négative, selon un observateur lointain mesurant la densité énergétique par observation de la déviation de la lumière par l’ensemble des fluctuations. Plus la courbure est forte, plus la densité d'énergie est négative.

C'est la meilleure explication que j'ai vue jusqu'à présent.

Le principe de Heisenberg vous permet de violer temporairement les lois de conservation de l'énergie (par exemple, créer des paires de particules à partir de rien) tant que vous remboursez tout dans le temps. Plus la paire particule-antiparticule est grande, plus elle doit être remboursée rapidement. La conversion d'une paire virtuelle en une paire réelle peut être considérée comme générant un peu de "matière exotique" à énergie négative (quelle qu'elle soit) pour représenter la dette impayée. Son énergie est égale à la paire avec le signe opposé. Cela tombe alors dans le trou noir avec l'une des particules, diminuant la masse du trou noir dans son ensemble.

L'horizon du trou noir empêche la recombinaison de certaines paires virtuelles, donc ces conversions virtual-> real auront lieu.

J'ai trouvé cette conférence avec la même idée (plus détaillée et moins dépouillée): http://teacher.pas.rochester.edu/Ast102/LectureNotes/Lecture19/Lecture19.pdf

Je ne sais pas si les experts seront d'accord avec cette description, mais voici comment je la comprends:

L'espace et l'horizon des événements subissent des fluctuations quantiques constantes. Essentiellement, l'horizon des événements a de minimes ondulations. Aux points où l'horizon des événements se creuse (au-dessus du rayon moyen du trou noir), l'énergie locale est supérieure à la moyenne. La gravité intense ramène rapidement cette bosse locale vers le bas, la bosse en chute renvoie cette concentration d'énergie locale à travers le reste de l'horizon des événements.

Considérons maintenant les paires de particules virtuelles possibles près du trou. Si une paire de particules virtuelles stationnaires apparaît juste au-dessus de l'horizon des événements, elle se recombinera et disparaîtra ou la chose entière sera entraînée dans le trou et disparaîtra à zéro. Nous avons besoin d'une paire de particules virtuelle dont le mouvement apparent s'éloigne du trou noir, à une vitesse proche de celle de la lumière. Si cette paire de particules virtuelle va assez vite pour s'échapper complètement, elles se recombinent et disparaissent. Effet net nul. Nous avons besoin d'une paire de particules virtuelle qui s'éloigne du trou noir à une vitesse proche de celle de la lumière, et nous avons besoin d'une ondulation à l'horizon qui capture uniquement une particule virtuelle. Je crois que l'ondulation doit être soumise à une accélération extrême vers le bas pour pouvoir s'écarter de la deuxième particule virtuelle afin d'éviter de prendre les deux. Et voici l'essentiel: La dette énergétique entre le couple de particules les tire intensément les unes vers les autres. La particule piégée est tirée vers le haut, tirant effectivement vers le haut sur l'horizon qui l'a piégée. Cela ralentit la chute de l'ondulation d'horizon, diminuant l'énergie que l'ondulation qui tombe retourne au reste du trou noir.

L'énergie nécessaire pour séparer les deux particules virtuelles est égale à l'énergie combinée des deux particules non virtuelles. Ainsi, l'ondulation en chute perd une énergie égale à deux particules et le trou mange une particule. Tout s'équilibre avec la particule échappée.

Je pense que cela fonctionne de la même manière, que les particules virtuelles soient des photons ou une paire matière-antimatière.

Voici une analogie avec la mécanique quantique. Une particule dans QM peut creuser un tunnel à travers une barrière impossible. C'est ainsi que des éléments plus lourds que le plomb peuvent avoir une partie de leurs neutrons "tunnel" hors du noyau échappant aux liens de la Force forte.

Un petit trou noir est comme une barrière quantique par laquelle une particule peut passer par un tunnel pour s'échapper. Plus la barrière (horizon des événements) est petite, plus elle a de chances de pouvoir sortir du tunnel. Ainsi, un micro-trou noir d'une masse de 228 tonnes et un horizon d'événements de 3,4 x 10 ^ -7 femtomètres (littéralement moins d'un millionième de la taille d'un proton) ne retiendront pas ses particules très longtemps. En fait, il va exploser en une rafale de rayonnement de Hawking après exactement 1 seconde .

Un trou noir de masse terrestre plus grand , avec un rayon d'un centimètre entier , durera beaucoup plus longtemps: 8 x 10 ^ 50 ans, car il est beaucoup moins probable qu'une particule se perde à travers un centimètre pour se libérer.

Source: Quantum tunneling à partir de trous noirs en trois dimensions: https://arxiv.org/abs/1306.6380

Source: Rayonnement de Hawking modélisé comme un effet quantique: http://cscanada.net/index.php/ans/article/view/j.ans.1715787020120502.1817