Wird das Schwarze Loch größer?

Zuerst werde ich einige Fakten über Entropie und ihre Anwendung auf Schwarze Löcher beschreiben, und dann werde ich diese Fakten auf Ihre Frage anwenden.

Entropie ist beobachterabhängig. Die Entropie ist (grob gesagt) der Logarithmus der Anzahl der Mikrozustände, die mit dem makroskopischen Zustand des Systems kompatibel sind. Was der makroskopische Zustand ist, hängt davon ab, was Sie messen können. Dies gilt sogar für alltägliche Dinge wie Gasgemische - in diesem Fall hängt die Entropie einfach davon ab, welche Instrumente Sie zur Durchführung von Messungen zur Verfügung haben. (Siehe Jaynes, 1996. )

Wenn ein Objekt in ein Schwarzes Loch fällt, hängt die Entropie davon ab, ob Sie mit ihm hineinfallen oder von außen zuschauen. Wenn Sie von außen zusehen, bedeutet Zeitdilatation, dass jede vom Objekt emittierte Strahlung schnell zu nicht beobachtbaren niedrigen Frequenzen rotverschoben wird. Dies bedeutet, dass alle Informationen über das Objekt außer seiner Masse, Ladung und seinem Drehimpuls praktisch verloren gehen. Technisch gesehen ist das Objekt immer noch da, da nichts den Ereignishorizont aus der Perspektive eines außenstehenden Beobachters passieren kann, aber da Sie es nicht mehr sehen können, besteht der Makrozustand des Schwarzen Lochs nur noch aus seiner Masse, Ladung und Drehimpuls. Die Anzahl der mit dem Makrozustand eines Schwarzen Lochs verbundenen Mikrozustände nimmt mit seiner Masse schnell zu.wenn von außen gesehen .

Für jemanden, der sich auf das Objekt einlässt, ist es jedoch eine andere Geschichte. Sie können das Objekt immer noch sehen, verlieren also keine Informationen darüber, und seine Entropie macht nichts Besonderes, wenn es den Ereignishorizont passiert. Die Entropie nimmt für den äußeren Beobachter zu, bleibt aber für den fallenden Beobachter gleich. Es gibt kein Paradox, weil die Entropie beobachterabhängig ist.

Wir haben jetzt genug Informationen, um Ihre Frage zu beantworten. Wenn Sie mit Ihrer unterteilten Gaskiste in das Schwarze Loch fallen, passiert aus Ihrer Sicht nicht viel, wenn Sie den Ereignishorizont überschreiten. Dann mischt man die Gase und beobachtet, wie ihre Entropie so zunimmt, wie es normalerweise der Fall wäre. Als Ergebnis scheint nichts Besonderes zu passieren. Einige Zeit später treffen Sie und die Benzinkiste auf die Singularität und hören plötzlich auf zu existieren.

Aus meiner Sicht als Beobachter, der sich sicher außerhalb des Schwarzen Lochs aufhält, sieht es etwas anders aus. Ich beobachte, wie du mit deiner Benzinkiste auf den Ereignishorizont zufällst, aber als du dich ihm näherst, scheinst du dich in Zeitlupe zu bewegen. Dein Licht wird rotverschoben, bis es immer schwieriger wird, dich zu sehen, und irgendwann gebe ich einfach auf und sage, du bist Teil des Schwarzen Lochs geworden, das jetzt eine größere Masse und damit eine höhere Entropie und eine größere hat Radius. (Radius und Entropie sind immer proportional zueinander.)

Wenn ich Sie sehen könnte, würde ich Sie im Prinzip in der Zeit eingefroren sehen, kurz bevor Sie den Horizont überschreiten; die Gase wären immer noch unvermischt. Nichts, was Sie tun, nachdem Sie den Horizont passiert haben, kann sich jemals auf das auswirken, was ich beobachte. Aber wenn Sie die Gase gemischt hätten, bevor Sie den Horizont passierten, hätte es keinen Unterschied gemacht. Der Makrozustand des Schwarzen Lochs hängt nur von seiner Masse, Ladung und seinem Drehimpuls ab, und diese sind alle gleich, ob die Gase gemischt oder getrennt sind. Im Allgemeinen ist eine Erhöhung der Entropie ein Informationsverlust, aber bis Sie in das Schwarze Loch gefallen sind, habe ich bereits alles verlorendie Information über den Mikrozustand der Gase, also kann ich durch Mischen nichts mehr verlieren. Aus der Perspektive des Betrachters von außen vergrößert sich also der Radius des Schwarzen Lochs, wenn man hineinfällt, und das war's. Die Entropie ist zu diesem Zeitpunkt bereits am Maximum, und Sie können nichts tun, um sie weiter zu erhöhen.

Dies ist eine interessante Frage, und ich denke, sie bezieht sich letztendlich auf das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs. Das besagt der erste Hauptsatz der Thermodynamik von Schwarzen Löchern

$$TdS = dE - dW$$ wobei die Variablen ihre übliche Bedeutung haben. Daraus lässt sich die sogenannte Bekenstein-Hawking-Entropie ableiten $$S_{BH} = \frac {c^3 A} {4 G \hbar}$$ wo $A$ist die Oberfläche des Schwarzen Lochs. Wie von JamalS richtig hervorgehoben, nimmt dies in der Schwarzschild-Geometrie die Form an: $$S = 4 \pi G M^2$$ Was dies im Endeffekt aussagt, ist, dass nur die $\textit{mass}$eines Objekts, das das unglückliche Schicksal hat, sich mit dem Schwarzen Loch zu verbinden, wird zu seiner Entropie beitragen. Während Sie also in einem klassischen System zu Recht sagen, dass das Öffnen der Box die Entropie des Systems erhöht, werden die in der Partition enthaltenen Informationen verschlüsselt, wenn sie den Horizont überqueren. Daher trägt nur der kombinierte Masseninhalt von Ihnen und der Kiste zur Entropie bei, unabhängig davon, welche atomare Struktur Sie beide möglicherweise enthalten haben.

Bei komplizierteren Modellen des Schwarzen Lochs kann die Oberfläche Terme enthalten, die den Drehimpuls betreffen,$J$, und die Nettogebühr,$Q$mit elektrischem Potential$\Phi$, und der Begriff$dW$in der ersten Gleichung hat die Form

$$dW = \Omega dJ + \Phi d Q$$ Die klassischen Black-Hole-No-Hair-Theoreme besagen jedoch, dass das Schwarze Loch einzigartig charakterisiert ist $M$, $Q$und $J$. Dies wird als „No-Hair“ bezeichnet, da keine anderen Informationen, die in den einfallenden Partikeln enthalten sind, zurückgehalten werden. Wenn man einige seltsame Yang-Mills-Felder (exotische Materie) und Dinge in das Szenario einführt, kann das Schwarze Loch einige Haare aufweisen (siehe zB [ http://cds.cern.ch/record/312731/files/9610019.pdf] ) . Man könnte also argumentieren, dass es möglicherweise exotische Materiezustände gibt, die einige ihrer internen Informationen behalten, wenn sie in das Schwarze Loch fallen. Angesichts dessen würde die Bekenstein-Hawking-Formel einen Korrekturterm benötigen, und Sie könnten tatsächlich in der Lage sein, die Entropie (und folglich die Oberfläche) zu erhöhen, indem Sie eine clevere Partition einrichten, wie Sie sie beschreiben, vorausgesetzt, die inneren Atome bestehen aus exotischer Materie.

Bearbeiten: Ich habe vielleicht einige der multiplikativen Konstanten oben durcheinander gebracht, aber das Bild ist dasselbe.

Die Definition der Entropie ist nicht auf den Maxwell-Boltzmann-Gibbs-Ansatz beschränkt, sondern muss auf den Beitrag von Shannon-von Neumann eingegangen werden.

Beim S-vN-Ansatz gibt es eine untere Grenze an Informationen, die zwischen Zuständen desselben physikalischen Systems reversibel ausgetauscht werden können, unabhängig von der Anwesenheit des Beobachters oder der Größe des Systems, was zu einer sauberen Erklärung beobachtbarer Phänomene führt .

Meiner bescheidenen, in der Tat sehr bescheidenen Meinung nach ist der Ereignishorizont per Definition die Materialisierung dieser Grenze. Ich weiß, dass ich nur ein Postulat gegen ein anderes setze, aber ich denke, es lässt alle Dinge, einschließlich des BH-Informationsparadoxons, ordentlich unter den Teppich kehren, bis wir einen Weg gefunden haben, herauszufinden, welches richtig ist. Unwissenheit ist ein Segen für einfache Köpfe wie meinen.

Ja, sie neigen dazu zu wachsen und wie sie wachsen werden, wird unten erklärt.

Astronomen wissen, dass die meisten supermassiven Schwarzen Löcher klein anfangen und mit der Zeit wachsen. Aber wie kommt es zu diesem Wachstum? Forscher, die den Spin eines supermassereichen Schwarzen Lochs in einem Quasar – dem leuchtenden Kern einer entfernten Galaxie – in 6,1 Milliarden Lichtjahren Entfernung gemessen haben, sagen, dass solche Schwarzen Löcher wahrscheinlich durch Verschmelzungen zwischen ihren Wirtsgalaxien und anderen Galaxien gewachsen sind.

Die Forscher konnten den Quasar (siehe oben) im Detail untersuchen, dank der Vergrößerungswirkung einer Gravitationslinse – einem massiven Galaxienhaufen davor –, die ihn heller erscheinen ließ, als er es sonst getan hätte. Durch die Analyse von Röntgenstrahlen des Quasars konnten die Forscher herausfinden, dass sich das Schwarze Loch sehr schnell drehte. Wenn das Schwarze Loch gewachsen wäre, indem es sich von Gas ernährt hätte, das aus verschiedenen Richtungen in es einströmt, hätte es sich viel langsamer gedreht als beobachtet, berichten die Forscher online in Nature.

Vielmehr fiel das Gas, das das Schwarze Loch im Laufe der Zeit aufgenommen hatte, um supermassereich zu werden, in Richtung seines Spins auf es zu und akkretierte auf kohärente Weise Material. Und so drehte sich das Schwarze Loch, wie ein Karussell, das sich mit jedem zusätzlichen Schubs entlang seiner Rotationsrichtung immer schneller dreht, mit der Zeit immer schneller. Das wahrscheinliche Szenario, in dem dies hätte passieren können, wäre, wenn die Galaxie, die das Schwarze Loch beherbergt, im Laufe ihrer Evolutionsgeschichte Fusionen oder Kollisionen mit anderen Galaxien erlebt hätte. Jedes Mal, wenn eine Verschmelzung stattfand, wurde Material aus der neuen Galaxie in die Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch eingebaut, drehte sich in die gleiche Richtung wie das Schwarze Loch und trug schließlich zu seinem Wachstum bei.