Komplementarität von Schwarzen Löchern - Absorption von Hawking-Strahlung

Dies ist keine vollständige Antwort, da ich die vollständige Antwort nicht kenne, aber es ist mehr als ein Kommentar.

Mein Beitrag besteht darin, Ihre Frage mit einer anderen, einfacheren zu vergleichen und dann auf Ihre zurückzukommen.

1. Beobachterabhängigkeit der Strahlung in der klassischen Physik

Hier ist die einfachere Frage (eine, auf die eine Antwort bekannt ist). Ein geladenes Teilchen, das im leeren Raum beschleunigt, sendet elektromagnetische Strahlung aus. Ein geladenes Teilchen, das irgendwo in einem statischen Gravitationsfeld fixiert ist, sendet keine elektromagnetische Strahlung aus. Beide Aussagen sind wahr – in jedem Fall relativ zu einer bestimmten natürlichen Wahl des Referenzrahmens. Aber im ersten Beispiel könnte man an Bord einer Rakete steigen, die mit dem Teilchen beschleunigt, und im Raketenrahmen wären keine elektromagnetischen Wellen zu sehen. Im zweiten Beispiel könnte man frei fallend an dem Teilchen vorbeigehen, und in diesem frei fallenden Rahmen wird elektromagnetische Strahlung gesehen. Also, was ist hier los? Gibt das geladene Teilchen Strahlung ab oder nicht?

All dieses Szenario kann mit der speziellen Relativitätstheorie behandelt werden, und es lehrt uns gute Lektionen, um uns auf die allgemeine Relativitätstheorie vorzubereiten. Die wichtigste Lektion hier ist, dass der Prozess der Emission und anschließenden Absorption von Strahlung nicht absolut, sondern relativ ist, wenn beschleunigte Referenzrahmen betrachtet werden, aber die mit der Absorption von Strahlung verbundenen Zustandsänderungen, wie z. B. ein Detektorklicken, absolut sind. Es ist die Art und Weise, wie wir interpretieren, was das Klicken eines Detektors verursacht hat, das sich von einem Frame zum anderen ändern kann.

Um das Obige wirklich mit Ihrer Frage in Verbindung zu bringen, beachten Sie, dass ich mir in meinen einfachen Szenarien eine Gaswolke vorstellen könnte, die möglicherweise die Strahlung zwischen Sender und Empfänger absorbiert, genau wie in Ihrem Szenario.

2. Um ein Paradoxon in der beobachterabhängigen Physik aufzulösen, überzeugen Sie sich zuerst selbst vom einfachsten Beobachter und suchen Sie dann nach Argumenten, um zu erklären, was der andere Beobachter findet

Das obige Prinzip kann angewendet werden, um Rätsel in der Relativitätstheorie zu lösen, z. B. ob eine schnelle Stange in eine kurze Scheune passt oder ob eine schnelle Niete einen Käfer in einem Loch zerquetschen kann.

3. Der Unruh-Effekt hat zwei komplementäre physikalische Interpretationen, je nachdem, wer beschleunigt

Die Hawking-Strahlung ist wie die Unruh-Strahlung und daher subtiler als die klassische Strahlung. Ein nützlicher Tipp aus der Betrachtung der Unruh-Strahlung lautet wie folgt. Unruhs Berechnung besagt, dass ein Detektor, der durch das Vakuum beschleunigt, innere Energie aufnimmt, was dem Nachweis von Partikeln entspricht. Wenn wir nun diesen Detektor von einem Trägheitssystem aus betrachten, schließen wir immer noch, dass er Erregung aufnimmt , aber wir interpretieren anders: Wir sagen, die Kraft, die ihn drückt, lieferte etwas Energie, die in innere Energie umgewandelt wurde, weil der Prozess nicht vollkommen glatt ist.

4. Antwort

Jetzt werde ich alle oben genannten Punkte anwenden, um eine Antwort auf Ihre Frage zu geben. Ich gebe zu, ich bin mir nicht sicher und die folgende Antwort ist nur meine Vermutung. Ich behaupte nur, dass es eine intelligente Vermutung ist.

Meine Vermutung ist, dass der entfernte Beobachter Hawking-Strahlung und Absorptionslinien beobachtet. Ich sage das, weil es eine konsistente Zusammenfassung dessen ist, was mir gewöhnliche Physik zu sein scheint, unter der Annahme, dass Hawking-Strahlung von einem Horizont aufsteigt.

Das Rätsel besteht also darin, dies aus der Sicht der frei fallenden Wolke zu erklären. Ich denke, ein Beobachter, der mit der Wolke fällt, schaut zu seinem entfernten Freund auf und bemerkt, dass sein Freund durch das Vakuum beschleunigt und infolgedessen eine innere Erregung aufgrund der Fluktuation der ihn beschleunigenden Kräfte erfährt. Um die Absorptionslinien zu berücksichtigen, also das Fehlen von Anregung bei bestimmten Frequenzen, schätze ich (und das ist der spekulative Teil), dass jetzt die Berechnung aus der Quantenfeldtheorie berücksichtigen müsste, dass der Rest der Raumzeit nicht leer ist, aber hat die von Ihnen erwähnte Wolke, und diese Wolke beeinflusst auf diese Weise die Gesamtwirkung der Quantenfelder. Beachten Sie, dass es sich nicht um eine Fernwirkung handelt (in beiden Perspektiven), aber es ist eine höchst überraschende Vorhersage, daher denke ich, dass Ihre Frage sehr interessant ist.

Ihr Punkt Nr. 1 hat mit der Tatsache zu tun, dass einige Physiker glauben, dass Informationen, wenn sie nicht ZURÜCKKEHREN, gegen das Unitary-Prinzip verstoßen würden. Die Philosophie der Quantenmechanik verlangt, dass Unitary unveränderlich ist. Daher hatten einige Leute Theorien aufgestellt, um zu zeigen, dass Informationen im Schwarzen Loch nicht wirklich verloren gehen.

Ich habe das Buch, das Sie erwähnen, nicht gelesen, aber ich lese zufällig The Rode to Reality von Penrose, und es gibt einen Abschnitt in dem Buch, in dem er tatsächlich dasselbe Thema berührt. Ich fürchte jedoch, dass Penrose diese Ansicht in Bezug auf Ihren Punkt Nr. 1 nicht teilt. Um ihn zu zitieren (Seite 841): „Ich finde es unvorstellbar, dass irgendwie ‚in dem Moment, kurz bevor der Horizont überschritten wird‘, irgendeine Art von Signal an die Außenwelt gesendet wird, das die vollständigen Details aller Informationen, die in dem zusammenbrechenden Material enthalten sind, nach außen übermittelt. ..Nur ein Signal allein würde nicht ausreichen, da das Material selbst gewissermaßen die "Information" ist, um die es geht: Einmal durch den Horizont gefallen, ist das Material gefangen,

Vielleicht ist dies nicht die Antwort, nach der Sie gesucht haben, aber ich hoffe, dass sie für Sie von Nutzen ist.

Zunächst einmal Entschuldigung für die Antwort, dass Sie keine Physikausbildung haben.

Wenn das Gas nicht in das Schwarze Loch fällt (es gibt mindestens einen minimalen Abstand zwischen dem Ereignishorizont und den Gasmolekülen), würde sich die Absorption genauso verhalten, als wäre das Schwarze Loch ein "normaler" Stern, der das gleiche Spektrum hat als Hawking-Strahlung.

Wegen der hohen Geschwindigkeit des Gases und der großen Massen müssen relativistische Effekte berücksichtigt werden.

Soweit ich weiß, ist die Quelle der Hawking-Strahlung der leere Raum in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs und nicht das Schwarze Loch selbst. Diese Theorie besagt, dass im leeren Raum Photonen und Anti-Teile mit negativer (!) Energie (und Masse) gebildet werden, aber normalerweise zerstören sich diese Paare sofort selbst. In der Nähe eines Schwarzen Lochs fallen die Anti-Teile in das Schwarze Loch, während die Photonen das Schwarze Loch verlassen. (Wenn das stimmt, dann ist Nathaniels Theorie falsch – die Hawking-Strahlung entsteht, wenn das Schwarze Loch bereits existiert.)

Dies würde bedeuten, dass das Gas zwischen dem Ereignishorizont und dem Ursprungsort der Hawking-Strahlung die Hawking-Strahlung nicht beeinflusst (während sich das vom Schwarzen Loch weiter entfernte Gas wie das Gas in der Nähe eines "normalen" Sterns verhält).

Das große Kopfgeld ermutigt mich, eine Platzhalterantwort zu posten, die ich in den nächsten 24 Stunden zu verbessern versuchen werde ... Der Unruh-Effekt wurde bereits einige Male erwähnt - manchmal soll er zeigen, dass die Existenz von Partikeln relativ zum Referenzrahmen ist. Tatsächlich gibt es ein Bezugssystem, in dem ein Unruh-Detektor ein Teilchen zu emittieren scheint.

Ich schlage vor, dass der Weg, diese Frage zu modellieren, darin besteht, die Gaswolke zu behandeln, wenn sie den Ereignishorizont überquert, ähnlich wie bei einem Unruh-Detektor; und so etwas wie den Raju-Papadodimas-Formalismus für AdS/CFT zu verwenden, um die beiden komplementären Szenarien (Beobachter außerhalb des Ereignishorizonts, Beobachter, der den Ereignishorizont überschreitet) auf einheitliche Weise zu beschreiben. Ich werde nachsehen, ob so etwas in der Literatur zum Informationsparadoxon bereits diskutiert wurde.

Update : Eine andere Möglichkeit, über diese Frage nachzudenken ... Bei einem großen Schwarzen Loch sieht das fallende Gas unmittelbar über und unter dem Horizont keinen signifikanten Unterschied. Aber für den entfernten Beobachter gibt es einen radikalen Unterschied zwischen etwas, das sich außerhalb des Schwarzen Lochs befindet und einen Teil der Hawking-Strahlung absorbiert, und etwas, das Teil des Schwarzen Lochs ist und (tatsächlich) einen Teil der Hawking-Strahlung erzeugt. Aufgrund der Komplementarität des Schwarzen Lochs sollte es jedoch auch im Fall des fallenden Gases keinen signifikanten Unterschied zwischen diesen beiden Situationen geben. Wie kann das sein?

Die Antwort muss eine Art Unruh-Hawking-Korrespondenz sein. Das Gas, das durch den sanft gekrümmten Raum gerade innerhalb des Horizonts fällt, nimmt an einer Art Unruh-Effekt teil; und für den Beobachter außerhalb dieses Horizonts entspricht dies nun einer anhaltenden Unterdrückung der Hawking-Strahlung auf den Wellenlängen, die das Gas absorbiert. Die Komplementarität von Schwarzen Löchern verlangt, dass dies so sein sollte, und die Herausforderung besteht darin, eine Erklärung nur in Bezug auf die Horizont-Thermodynamik (z. B. bestimmte angeregte Zustände des Schwarzen Lochs?) zu entwerfen, die diese Unterdrückung reproduziert.