Könnte bitte jemand den Ursprung der Hawking-Strahlung erklären ? (Idealerweise jemand, mit dem ich auf der H-Bar gesprochen habe)
Jede fortgeschrittene Mathematik, die über die grundlegende Analysis hinausgeht, wird mich höchstwahrscheinlich ratlos zurücklassen, obwohl ich nichts gegen eine Herausforderung habe! Bitte gehen Sie von wenig Vorwissen aus, da ich in den letzten Tagen festgestellt habe, dass vieles von meinem Verständnis, das den Prozess als virtuelle Teilchenpaare umgibt, völlig falsch ist.
Um dies zu beantworten, müssen wir ein wenig darüber sprechen, wie Teilchen in der Quantenfeldtheorie beschrieben werden .
Für jede Art von Teilchen gibt es ein zugehöriges Quantenfeld. Für das Elektron gibt es also ein Elektronenfeld, für das Photon ein Photonenfeld und so weiter. Diese Quantenfelder nehmen die gesamte Raumzeit ein, dh sie existieren überall im Raum und überall in der Zeit. Es ist wichtig zu erkennen, dass ein Quantenfeld ein mathematisches Objekt ist, kein physikalisches - genauer gesagt ein Operatorfeld -, aber es ist üblich, so zu sprechen, als ob Quantenfelder reale Objekte wären, und ich werde diese Sünde in meiner Antwort begehen. Seien Sie nur vorsichtig, wenn Sie es zu wörtlich nehmen.
Jedenfalls beschreibt die Quantenfeldtheorie Teilchen als Anregungen eines Quantenfeldes. Wenn wir dem Elektronenfeld ein Energiequant hinzufügen, erscheint es als Elektron, oder wenn wir einem Quantenfeld ein Energiequant entziehen, das ein Elektron verschwinden lässt. Das erklärt übrigens, wie Materie zu Energie werden kann und umgekehrt. Zum Beispiel kann im Large Hadron Collider die kinetische Energie der kollidierenden Protonen in Anregungen von Quantenfeldern einfließen, wo diese Energie als neue Teilchen erscheint.
Der Vakuumzustand eines Quantenfeldes ist der Zustand ohne Teilchen. Für ein Quantenfeld gibt es eine Funktion namens Teilchenzahloperator, die die Anzahl der vorhandenen Teilchen zurückgibt, und der Vakuumzustand ist der Zustand, für den der Zahlenoperator Null zurückgibt. Wenn wir also in der Physik vom Vakuum sprechen , beziehen wir uns eigentlich auf einen bestimmten Zustand von Quantenfeldern.
Die Quantenfeldtheorie ist so konzipiert, dass sie mit der speziellen Relativitätstheorie kompatibel ist, und der Vakuumzustand ist Lorentz-invariant. Das bedeutet, dass sich alle Beobachter in ständiger Bewegung in der flachen Raumzeit über den Vakuumzustand des Feldes einig sind. Das Problem ist, dass der Vakuumzustand in der Allgemeinen Relativitätstheorie, dh in der gekrümmten Raumzeit, nicht invariant ist. In einer gekrümmten Raumzeit werden sich verschiedene Beobachter darüber uneins sein, wie viele Teilchen vorhanden sind, und daher auch über den Vakuumzustand.
Genauer gesagt, und dies ist der erste Schritt in unserem Versuch, die Hawking-Strahlung zu erklären, werden Beobachter in der Nähe und in der Nähe eines massiven Körpers unterschiedliche Meinungen über den Vakuumzustand haben. Angenommen, Sie schweben in der Nähe eines massiven Körpers wie eines schwarzen Lochs, während ich weit von dem Körper entfernt schwebe. Der Quantenfeldzustand, der für Sie wie ein Vakuum aussieht, wird für mich so aussehen, als ob er eine Anzahl von Teilchen ungleich Null enthält.
Ich bin mir nicht sicher, ob es möglich ist, einfach zu erklären, warum der Vakuumzustand in einer gekrümmten Raumzeit für verschiedene Beobachter unterschiedlich aussieht, da dies mit dem Verfahren zusammenhängt, mit dem ein Feld quantisiert wird (es als Summe von Schwingungsmodi erweitert wird), und das ist ein zu komplizierter Prozess hier gerecht zu werden. Vielleicht könnte das Gegenstand einer zukünftigen Frage sein, aber im Moment müssen wir es einfach vertrauensvoll annehmen.
Wie auch immer, Sie werden feststellen, dass ich vor ein paar Absätzen erwähnt habe, dass die Meinungsverschiedenheit über das Vakuum nur der erste Schritt zur Erklärung der Hawking-Strahlung war. Das liegt daran, dass die Tatsache, dass sich zwei Beobachter über den Vakuumzustand nicht einig sind, nicht unbedingt bedeutet, dass Energie von einem Beobachter zum anderen fließt, dh ein Strahlungsfluss. In der Tat gibt es keinen Energiefluss, wenn kein Ereignishorizont vorhanden ist – zum Beispiel sendet ein Neutronenstern keine Hawking-Strahlung aus, und auch kein anderes massives Objekt, wenn kein Horizont vorhanden ist. Der nächste Schritt besteht darin, die Rolle des Horizonts im Hawking-Prozess zu erklären.
Damit ein Schwarzes Loch verdampft, muss Energie vollständig aus seinem Potentialtopf entweichen. Um eine ziemlich grobe Analogie zu machen: Wenn wir eine Rakete von der Erdoberfläche abfeuern, dann wird die Rakete unter der Fluchtgeschwindigkeit schließlich zurückfallen. Die Rakete muss eine Geschwindigkeit haben, die größer ist als die Fluchtgeschwindigkeit, um der Erde vollständig zu entkommen.
Wenn wir ein Schwarzes Loch betrachten, betrachten wir eher die gravitative Rotverschiebung als die Fluchtgeschwindigkeit . Die Rotverschiebung reduziert die Energie jeder ausgehenden Strahlung, also reduziert sie die Energie jeder Strahlung, die vom Heißeren emittiert wirdVakuumzustand in der Nähe des Ereignishorizonts. Wenn die Rotverschiebung unendlich ist, wird die emittierte Strahlung zu nichts hin rotverschoben, und in diesem Fall gibt es keine Hawking-Strahlung. Wenn die Rotverschiebung endlich bleibt, hat die emittierte Strahlung immer noch eine Energie ungleich Null, wenn sie sich der räumlichen Unendlichkeit nähert. In diesem Fall entweicht etwas Energie aus dem Schwarzen Loch, und das nennen wir die Hawking-Strahlung. Diese Energie stammt letztendlich aus der Massenenergie des Schwarzen Lochs, sodass die Masse/Energie des Schwarzen Lochs um die Menge der entwichenen Strahlung verringert wird.
Das Problem ist, dass ich mich an dieser Stelle völlig verirrt habe, dies für den Laien verständlich zu beschreiben. In Hawkings Originalarbeit von 1975 berechnet er die Streuung der im Hawking-Prozess emittierten Teilchen und zeigt, dass die Streuung in Gegenwart eines Horizonts modifiziert wird, da alles innerhalb des Horizonts nichts beitragen kann. Das Ergebnis davon ist, dass die Rotverschiebung endlich bleibt und als Ergebnis beobachten wir Hawking-Strahlung, dh einen stetigen Strahlungsstrom, der vollständig aus dem Schwarzen Loch entweicht. Ohne den Horizont wird die Rotverschiebung unendlich, sodass keine Energie entweicht und keine Hawking-Strahlung zu sehen ist. Deshalb erzeugen Objekte ohne Horizont, zB Neutronensterne, keine Hawking-Strahlung, egal wie stark ihr Gravitationsfeld ist.
Hawking selbst verwendet in seiner Arbeit die Analogie virtueller Teilchen. Er sagt:
Diesen negativen Energiefluss kann man sich folgendermaßen vorstellen. Direkt außerhalb des Ereignishorizonts wird es virtuelle Teilchenpaare geben, eines mit negativer Energie und eines mit positiver Energie.
Allerdings fährt er fort:
Es sollte betont werden, dass diese Bilder des Mechanismus, der für die thermische Emission und die Flächenverkleinerung verantwortlich ist, nur heuristisch sind und nicht zu wörtlich genommen werden sollten.
Was er tatsächlich berechnet, ist, wie sich ein Wellenpaket (das ein freies skalares Quantenfeld ist) verhält, wenn es während des Bildungsprozesses von einem Schwarzen Loch gestreut wird, und dann die alten und neuen Schwingungsfrequenzen vergleicht, wodurch wir eine Vorstellung davon bekommen Teilchen und Vakuum, wie oben am Rande erwähnt. Angesichts der Tatsache, dass Hawking dies in seiner ursprünglichen Arbeit im Jahr 1975 sagte, ist es eine Schande, dass die Analogie der Paare virtueller Teilchen noch dreißig Jahre später als Erklärung für den Prozess angeführt wird.
Fußnote
Ich bin nicht ganz glücklich, dass ich dem Hawking-Prozess und der Strahlung gerecht geworden bin. Insbesondere glaube ich nicht, dass ich wirklich erklärt habe, warum ein Horizont notwendig ist - vielleicht ist es einfach unmöglich, dies auf Laienebene zu erklären. Da mir jedoch die Puste ausgegangen ist, habe ich beschlossen, dies zu posten, in der Hoffnung, dass es hilfreich sein wird.
Ich habe dieses Antwort-Community-Wiki erstellt, weil es das Ergebnis von Beiträgen vieler Leute ist, hauptsächlich im hbar-Chatraum. Wenn jemand der Meinung ist, dass er dies verbessern kann, ermutige ich ihn, seine aktualisierte Version als zusätzliche Antwort zu veröffentlichen, und wir können sie in diese Antwort bearbeiten, um hoffentlich etwas zu finden, das sowohl maßgeblich als auch verständlich ist.
Abschließend sollten wir anmerken, dass Hawkings Originalarbeit zwar auf einige Diskussionen stieß, beispielsweise aufgrund der Verwendung von Trans-Planckschen Moden , das Phänomen jedoch inzwischen gut verstanden und die mathematische Behandlung allgemein akzeptiert ist. Wir haben sogar eine exakte Lösung für den vereinfachten Fall eines freien Skalarfeldes (obwohl dies nicht die Auswirkungen der Rückreaktion beinhaltet). Wenn das Experiment (vorausgesetzt, wir sind jemals in der Lage, das Experiment durchzuführen) keine Hawking-Strahlung findet, wird dies eine gründliche Überprüfung unseres Verständnisses von QFT in gekrümmten Raumzeiten erfordern.
@JohnDuffield: Ich kann Ihnen sowohl eine korrekte Antwort in einfachen Worten als auch das Märchen geben, zusammen mit Verweisen auf eine Erklärung, wie das Märchen mit der Realität zusammenhängt!
Die trockenen Tatsachen sind, dass zwei reale Teilchen (z. B. zwei Photonen oder ein Elektron und ein Positron) aus der Energie in dem sehr starken Gravitationsfeld nahe dem Horizont des Schwarzen Lochs erzeugt werden – aus einem klassischen externen Gravitationsfeld (falls Gravitation ist klassisch behandelt) oder möglicherweise von zwei Gravitonen (in effektiver Quantengravitation bei einsamer Schleife), nicht aus dem Vakuum. [Starke externe Felder mit Energien, die deutlich über der Schwelle der Paarbildungsenergie liegen, erzeugen notwendigerweise die entsprechenden Teilchenpaare. Siehe nachstehendes Postscript für weitere Details.] Die Partikelpaarerzeugung reduziert die Gravitationsenergie um die Energie (einschließlich des Ruhemassenenergieäquivalents) der beiden Partikel. Ein Teilchen entweicht, das andere wird vom Schwarzen Loch absorbiert. Das Nettoergebnis (Energie des Schwarzen Lochs - 2 Teilchenenergien + 1 Teilchenenergie) ist ein Massenverlust, der der Energie des austretenden Teilchens entspricht. Eine gültige Beschreibung findet sich auf S. 645 des Buches BW Carroll und DA Ostlie, An Introduction to Modern Astrophysics, 2nd. Hrsg., Addison Wesley 2007.
Eine entsprechende animierte (daher viel beeindruckendere) virtuelle Geistergeschichte für die breite Öffentlichkeit - mit all den gängigen Missverständnissen, die diese charakterisieren - ist auf der Website von Steve Carlip zu finden . Beachten Sie, dass er seine Leser warnt (vorher auf der zitierten Seite): „Seien Sie gewarnt – die Erklärungen hier sind größtenteils drastische Vereinfachungen und sollten nicht zu wörtlich genommen werden.“ Diejenigen, die von ihm (bzw aus ähnlichen Quellen mit ähnlichen Vorbehalten) halten gewöhnlich die gemalte Fiktion für wissenschaftliche Tatsachen. Aber nur weil die Fiktion von einem bekannten Wissenschaftler stammt, wird sie noch lange keine Wissenschaft!
Fakten und Fiktion über virtuelle Teilchen werden in meinem Artikel Misconceptions about Virtual Particles gründlich unterschieden . Das Obige stammt im Wesentlichen von der Diskussionsseite dieses Artikels , wo weitere Diskussionen zum Hawking-Effekt zu finden sind. Dort (in Beitrag #58) wird auch diskutiert, wie das Märchen mit der Realität zusammenhängt.
John Baez schrieb einen weiteren nützlichen wissenschaftlichen Bericht über die Hawking-Strahlung.
Ein Papier von Padmanath aus dem Jahr 2010 beschreibt die Fakten viel detaillierter auf 7 Seiten und beendet die Beschreibung auf Seite 8 mit einem informellen Absatz, der eine kurze Version des gemeinsamen Märchens enthält, eingeleitet mit dem Satz „Eine malerische Art zu verstehen was vor sich geht, ist an Vakuumfluktuationen zu denken, die durch virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Paare dargestellt werden, die in die Existenz ein- und ausgehen.''. Wie jeder, der solche Märchen verwendet, sagt er überhaupt nichts darüber, wie das Märchen in der realen Physik begründet werden könnte und warum es daher zum Verständnis beitragen sollte. - Es illustriert nur die Physik, genauso wie ein Cartoon Politik oder andere Themen illustriert.
Nachschrift. In der kanonischen Gravitation (eine effektive Theorie, die beste funktionierende Annäherung an die Quantengravitation, die wir derzeit haben) existieren Gravitonen, obwohl sie nicht beobachtet wurden.
Die lokale Energiedichte ist wohldefiniert als die 00-Komponente des Spannungs-Energie-Tensors. Sie ist rahmenabhängig, aber in lokal starken Feldern ist sie in jedem Rahmen lokal groß. In der Quantenversion ist ein starkes Gravitationsfeld wie ein starkes elektromagnetisches Feld, das nicht durch einen leeren Vakuumzustand, sondern durch einen Zustand voller Energie (wie durch den Energie-Stress-Tensor definiert) beschrieben wird.
Die gravitationsbedingte Raum-Zeit-Inhomogenität wird durch ein masseloses Tensorfeld beschrieben, das Gravitationsfeld genannt wird (oder die Metrik in einer geometrischen Sichtweise, die die Quantisierung nicht überlebt). In der kanonischen Quantenfeldtheorie, die zur Beschreibung der Teilchenproduktion verwendet werden muss, ist die Raumzeit nur eine glatte Mannigfaltigkeit ohne vordefinierte Metrik. Das Gravitationsfeld (dh die quantisierte Metrik) wird nun durch einen masselosen Quantenfeld-Tensoroperator beschrieben, der in üblicher Weise Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren für Gravitonen hervorruft.
Ebenso wie die Erzeugung von Teilchenpaaren aus starken elektromagnetischen Feldern durch Prozesse wie z , wo bezeichnet ein Photon, daher ist eine Teilchenproduktion aus starken Gravitationsfeldern unvermeidlich: Betrachtet man die S-Matrix in der Baumnäherung von kanonischer Quantengravitation + QED, erhält man Prozesse wie z und , wo bezeichnet ein Graviton. Der erste Prozess findet bei jeder positiven Energie statt, da beide Seiten masselos sind; Der zweite Prozess findet statt, sobald die lokale Energiekonzentration das Energieäquivalent von zwei Elektronenmassen übersteigt.
Da nur die Baumnäherung aufgerufen wird, muss man sich keine Gedanken über ungelöste Probleme bei der Renormierung in der Quantengravitation machen, die nur geringfügige Korrekturen liefern würden.
[hinzugefügt am 11. Januar 2017] Ich habe kürzlich entdeckt, dass Hawking bereits in seiner bahnbrechenden Arbeit zu diesem Thema auf S. 2462 (links) sagt, dass „man ein solches Ereignis als spontane Schöpfung im Gravitationsfeld interpretieren kann das Schwarze Loch aus einem Teilchenpaar, eines mit negativer und eines mit positiver Energie in Bezug auf die Unendlichkeit. Das Teilchen mit negativer Energie würde in das Schwarze Loch fallen [...] Die Teilchen mit positiver Energie können entkommen [...]''. (Beachten Sie, dass nur Energieunterschiede bedeutungsvoll sind, daher Hawkings Hinweis auf (Nullenergie im flachen Raum bei) Unendlich, der dem Zeichen der Energie Bedeutung verleiht.) Keine "virtuellen Paare" von Teilchen und Antiteilchen, die ein- und ausgehen, wie in Carlips Märchen! Für Interessierte,Der Vakuumfluktuationsmythos viele der subtilen Beobachtungen, die bei der Entstehung des Mythos zusammenkommen.
Beachten Sie, dass es keine Rolle spielt, ob das Gravitationsfeld von der klassischen oder der Quantenmechanik behandelt wird; dies gibt nur äußerst geringfügige Korrekturen an den genauen Raten. Berechnungen werden normalerweise halbklassisch durchgeführt, dh die Gravitation wird als klassisches externes Feld behandelt. Aber im Wesentlichen dieselben Ergebnisse aus der Quantengravitation zu erhalten, wird als einer der Tests angesehen, die eine Quantentheorie der Gravitation bestehen muss, um als ernsthafter Kandidat angesehen zu werden.
Ich bin zu spät zur Party, aber ich möchte hier eine neue Antwort hinzufügen, die versucht, die wichtigen Merkmale der Hawking-Strahlung zu erfassen, ohne zu tief zu tauchen. Da es in diesem Beitrag bereits tolle Antworten gibt, werde ich versuchen, etwas ganz anderes zu machen, wenn auch etwas bildhafter. Hier ist eine Skizze des Ansatzes, dem ich folgen werde:
Eine der wichtigsten Vorhersagen der Relativitätstheorie (sowohl speziell als auch allgemein) ist die Relativität der Zeit. Während die Galileische Physik die Zeit als universellen Parameter behandelt, der vom Beobachter unabhängig ist, behandelt die Einstensche Physik die Zeit grob als Koordinate. Es ist genauso relativ wie der Raum: Wenn ich sage „Das ist zwei Meter rechts“, hängen die Worte „zwei Meter rechts“ von mir ab, und ebenso hängt es auch davon ab, „zwei Sekunden in der Zukunft“ zu sagen.
Ohne Mathe ist das so ziemlich das, was ich gehen kann. Jedes Buch über Relativitätstheorie wird diese Dinge diskutieren, wenn Sie eine tiefere Erklärung wünschen. Auf dieser Seite gibt es Beiträge zur Relativität der Zeit (wie z. B. Wie kann Zeit relativ sein? , oder Armbanduhr in der Nähe eines schwarzen Lochs ), also werde ich nicht lange dabei bleiben.
Kernpunkt: Was wir Zeit nennen, hängt vom Beobachter ab. Zeit ist nicht etwas Universelles und um zu definieren, was wir unter Zeit verstehen, müssen wir eine genaue Definition geben.
Als nächstes betrachte ich die Frage "Was ist Energie?" Laienhaft möchte ich Energie einfach als „eine Zahl, die sich mit der Zeit nicht ändert“ charakterisieren. Das ist so ziemlich das Interessanteste an Energie: Sie wird eingespart. Wenn wir etwas anderes Zeit nennen würden, dann würde das, was wir Energie nennen, nicht mehr unbedingt erhalten bleiben und der ganze Punkt der Energie verschwindet irgendwie. Unser Interesse am Konzept der Energie rührt von der Tatsache her, dass ihre Erhaltung unsere Berechnungen vereinfacht.
Dies ist ein bisschen schwammig, aber es kann genauer ausgedrückt werden als "Energie ist der Noetherstrom , der mit Zeittranslationssymmetrie verbunden ist". Das ScienceClic -Video The Symmetries of the universe ist eine besonders gute Einführung in das Noether-Theorem und vermittelt eine Vorstellung davon, wie der Impuls aufgrund der Translationssymmetrie und der Drehimpuls aufgrund der Rotationssymmetrie erhalten bleibt. Energie wird in ähnlicher Weise aufgrund der Zeittranslationssymmetrie konserviert. Ändere, was du Zeit nennst, und du änderst automatisch, was du Energie nennst.
Kernpunkt: Der Begriff der Energie hängt vom Begriff der Zeit ab. Ändere die Vorstellung von Zeit und du änderst die Vorstellung von Energie. Da die Zeit eine beobachterabhängige Größe ist, gilt dies auch für die Energie.
Ich werde hier eine archaische Sicht auf Partikel verwenden, die meiner Meinung nach ihren pädagogischen Zweck hat. Eine der seltsamen Vorhersagen der relativistischen Quantenmechanik und insbesondere der Dirac-Gleichung ist, dass es Lösungen für die quantenmechanischen Bewegungsgesetze gab, die negative Energie hatten. Mit "negativer Energie" meine ich negative kinetische Energie, die Art, die Sie wirklich nicht haben sollten.
Um dies zu verstehen, schlug Dirac vor, was heute als "Dirac-Meer" bekannt ist. Eine der Eigenschaften von Elektronen ist, dass keine zwei Elektronen den gleichen Quantenzustand einnehmen können, was bedeutet, dass sie nicht gleichzeitig die gleichen Eigenschaften haben können. In einem bestimmten Atom können keine zwei Atome gleichzeitig die gleiche Energie, den gleichen Gesamtdrehimpuls, den gleichen Drehimpuls in einer bestimmten Richtung und den gleichen Spin haben. Mindestens einer davon muss anders sein. Dies ist als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt .
Um zu verstehen, wie die Sache mit negativer Energie möglich war, postulierte Dirac, dass alle negativen Energiezustände immer mit Elektronen besetzt waren, also für andere Elektronen nicht zugänglich waren. Mit anderen Worten, es wäre für ein Elektron mit positiver Energie unmöglich, auf negative Energien abzufallen. Es sei denn natürlich, es gäbe ein Loch in diesem Meer aus Elektronen mit negativer Energie. In diesem Fall würde sich dieses Loch jedoch ziemlich genau wie ein normales Elektron verhalten und sich bewegen, als hätte es die gleiche Masse und so weiter. Da es jedoch von negativer Energie und negativer Ladung umgeben ist (weil Elektronen negativ geladen sind), scheint es ein positives Energieteilchen mit positiver Ladung zu sein: das Positron , das eine Form von Antimaterie ist . Es ist das Antiteilchen des Elektrons.
Beachten Sie dann, dass die Elektronen, die wir beobachten, mit positiven Energielösungen verbunden sind (es sind nur die "üblichen" Lösungen), während Positronen mit negativen Energielösungen verbunden sind. Verschiedene Beobachter haben jedoch unterschiedliche Vorstellungen davon, was Energie ist, und daher können sie sich nicht darüber einig sein, was eine Lösung mit positiver oder negativer Energie ist. Was ein Beobachter positive Energie nennt, könnte ein anderer sagen, dass es eine Mischung aus positiver und negativer Energie ist. Da der eigentliche Begriff eines Teilchens von dem abhängt, was man Energie nennt, hängt der eigentliche Begriff eines Teilchens vom Beobachter ab.
Mehr über das Dirac-Meer erfahren Sie beispielsweise im Video Anti-Matter and Quantum Relativity von PBS Spacetime .
Ich sollte darauf hinweisen, dass die Dirac-Meeresansicht zugunsten der in anderen Antworten bevorzugten Quantenfeldansicht etwas veraltet ist. Ich spreche hier drin über das Dirac-Meer, weil ich glaube, dass es etwas mehr Intuition bieten könnte. Es ist problematisch, weil die Relativität des Teilchenbegriffs nicht vom Pauli-Ausschlussprinzip abhängt und Hawking-Strahlung auch für Bosonen funktioniert, nicht nur für Fermionen, aber ich denke, es könnte ein interessantes Bild ergeben.
Kernpunkt: Der Begriff des Teilchens hängt vom Begriff der Energie ab. Da Energie eine beobachterabhängige Größe ist, sind es auch Teilchen.
Lassen Sie mich eine stark vereinfachte Version des Gravitationskollaps eines Sterns geben: Sie haben einen Stern, der stationär ist (er ändert sich nicht mit der Zeit), er kollabiert plötzlich zu einem Schwarzen Loch und nach einiger Zeit wird das Schwarze Loch ebenfalls stationär.
In den stationären Epochen haben wir eine klar definierte Vorstellung von Energie. In allgemeiner relativistischer Sprache haben wir ein zeitähnliches Killing Field . Das ist die Art von Struktur, die wir brauchen, um Energie in gekrümmten Raumzeiten zu definieren. Es ist ein angemessener Zeitbegriff, der eine Definition von Energie ermöglicht.
Zwischen diesen Epochen gibt es jedoch einige ziemlich heftige Prozesse, die nicht zeittranslationssymmetrisch sind. Aus diesem Grund fallen die beiden Zeitbegriffe nicht zusammen. Sie führen zu Energievorstellungen, die nicht äquivalent sein müssen und es auch nicht sind. Da Sie vor und nach dem Gravitationskollaps unterschiedliche Vorstellungen von Energie haben, haben Sie unterschiedliche Vorstellungen von Teilchen.
Was dann passiert, ist, dass ein Beobachter, der die "natürliche" Vorstellung von Zeit teilt, die an jedem Punkt seiner Bahn durch die Raumzeit verfügbar ist, zwei unterschiedliche Vorstellungen von Energie (mit einer Übergangsphase, in der Energie nicht wirklich gut definiert ist) experimentiert. Aufgrund dieser Änderung beginnt der Beobachter, keine Partikel zu sehen und hat schließlich eine andere Vorstellung davon, was Partikel sind, und sieht nun Partikel. Die Lektion ist, dass der Begriff der Teilchen in der Physik nicht grundlegend ist, er ist beobachterabhängig.
Beachten Sie, dass dies auch die Intuition hinter dem Unruh-Effekt erklärt : Ein beschleunigter Beobachter in der Minkowski-Raumzeit sieht eine thermische Verteilung von Teilchen, wo ein statischer Beobachter keine sieht. Ich kenne keine Analogie mit virtuellen Partikeln, um diesen Effekt zu interpretieren, aber in Bezug darauf, wie beobachterabhängig der Begriff der Partikel ist, ist es einfach: Es gibt keinen a priori Grund dafür, dass zwei Beobachter denselben Partikelinhalt sehen.
Lassen Sie mich abschließend erwähnen, dass dies in der gewöhnlichen Teilchenphysik kein Thema ist: Man kann zeigen, dass alle Trägheitsbeobachter in der Minkowski-Raumzeit denselben Teilchengehalt sehen werden, und daher die Experimente, die beispielsweise am LHC stattfinden, immer haben den gleichen Begriff von Teilchen.
QMechaniker
David z