Black Hole / Hawking Radiation: Warum nur Antiteilchen einfangen?

Ich kann hier einige Besonderheiten falsch haben. Wenn ja, konzentrieren Sie sich nicht auf diese. Konzentrieren Sie sich einfach auf den allgemeinen Aspekt meiner Frage.

Ich "verstehe" (Husten), dass sich Teilchen / Antiteilchen-Paare spontan im Raum bilden. Ich verstehe, dass sie sich in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs bilden können und dass ein Partikel hineinfallen kann, während das andere Partikel kaum entweichen kann. Ich verstehe, dass ein Anti-Partikel mit einem Partikel vernichten wird. Was ich nicht verstehe, ist, warum nur die Antiteilchen dieser virtuellen Teilchenpaare in das Schwarze Loch fallen, während die anderen gerade noch entkommen können. Sollten nicht Partikel und Anti-Partikel die gleiche Chance haben, derjenige zu sein, in den sie hineinfallen, oder sollten sie es einfach schaffen zu entkommen?

Es scheint, dass es die gleiche Chance geben sollte, dass entweder das Partikel oder das Anti-Partikel eingefangen wird, während das andere "ausgestoßen" wird. Es scheint also, dass das Schwarze Loch hinsichtlich der Massenänderung in Bezug auf virtuelle Teilchen einigermaßen stationär sein sollte.

Erklären?

Ich dachte, dass das Antiteilchen mit "normaler" Masse im Schwarzen Loch vernichtet? Nein?

Erstens haben sowohl Teilchen als auch Antiteilchen eine "normale" Masse (sollten sie überhaupt Masse haben) und eine "normale" (positive) Energie. Die Unterscheidung zwischen ihnen ist entweder eine Frage der Konvention oder eine Frage, welcher Typ im Universum häufiger vorkommt. Darüber hinaus bestünde der Großteil der Hawking-Strahlung bei typisch massierten schwarzen Löchern aus Photonen, die eigentlich nicht einmal Antiteilchen aufweisen, obwohl man auch sagen könnte, dass sie ihre eigenen Antiteilchen sind.

Sollten nicht Partikel und Anti-Partikel die gleiche Chance haben, derjenige zu sein, in den sie hineinfallen, oder sollten sie es einfach schaffen, zu entkommen?

Ja und ungeladene. Ein kleineres Schwarzes Loch würde sowohl Neutrinos als auch Antineutrinos ausstrahlen, vorausgesetzt, alle Neutrinos sind massiv (ansonsten würden alle Schwarzen Löcher dies bereits tun), und ein ausreichend kleines (und damit ausreichend heißes) Loch würde sowohl Elektronen als auch Positronen ausstrahlen. Sehr grob gesagt strahlt ein Schwarzes Loch nicht zu vernachlässigende Mengen an massiven Partikeln aus, wenn die Temperatur des Schwarzen Lochs in natürlichen Einheiten in der Größenordnung der Partikelmasse oder darüber liegt.

Es scheint, dass es die gleiche Chance geben sollte, dass entweder das Partikel oder das Anti-Partikel eingefangen wird, während das andere "ausgestoßen" wird.

Richtig, mit einer geringfügigen Ausnahme, dass ein heißes Schwarzes Loch mit größerer Wahrscheinlichkeit Teilchen mit dem gleichen Ladungszeichen ausstrahlt, wenn es elektrisch geladen ist.

Es scheint also, dass das Schwarze Loch hinsichtlich der Massenänderung in Bezug auf virtuelle Teilchen einigermaßen stationär sein sollte.

Wenn ein Teilchen oder ein Antiteilchen in ein Schwarzes Loch fällt, steigt seine Masse an. Es spielt keine Rolle. Grundsätzlich liegt der "Grund" für Hawking-Strahlung darin, dass der Vakuumzustand in der Quantenfeldtheorie ein Zustand niedrigster Energie ist, unterschiedliche Beobachter sich jedoch darüber streiten können, welcher Zustand das Vakuum ist. Da Partikel oberhalb des Vakuums schwanken, können sie sich darüber streiten, ob es Partikel gibt oder nicht.

Ich glaube nicht, dass es einen guten Weg gibt, um die "Antiteilchen-Stürze" zu reparieren, außer einem Umweg, der der Energieeinsparung dienlich ist: Wenn das austretende Teilchen real ist und positive Energie hat, muss und würde das negative Energie haben Verringern Sie daher die Masse des Schwarzen Lochs. Leider zeigt das nur, was passieren muss, damit die Situation konsistent ist, nicht, dass es tatsächlich passiert.

Obwohl mit einigem Wissen über die allgemeine Relativitätstheorie dies etwas weiter motiviert werden kann - z. B. für das Schwarze Loch von Schwarzschild gibt es eine Energieeinsparung durch ein Tötungsvektorfeld, das sich am Horizont von zeitlich zu räumlich bewegt -, also was für ein Äußeres Beobachter der Auffassung , Zeit / Energie würde Raum / Dynamik im Innern des schwarzen Lochs sein, und Impuls ist erlaubt , negativ zu sein.

Zunächst möchte ich auf die Antwort von @ user83692435 hinweisen und sie empfehlen, die zuerst eingegangen ist und korrekt ist. Darauf erweitern:

Das Bild eines virtuellen Teilchen / Antiteilchen-Paares, das erzeugt wird und dann von dem Ereignishorizont verschluckt wird, der das andere als real verlässt, ist eine Analogie, die ein Bild davon liefert, was passiert, aber definitiv nicht korrekt ist. Die Popularisierer verwenden es weiterhin, weil das, was wirklich vor sich geht, äußerst komplex und nicht einfach in Worten zu erklären ist. (Und ich werde es nicht versuchen!) Aber hier ist ein Link zu einem technischen Artikel zu diesem Thema .

Der vielleicht aussagekräftigste Punkt gegen die einfache Erklärung ist jedoch, dass die Hawking-Strahlung nicht aus dem Ereignishorizont stammt, den die Analogie erfordert, sondern aus dem Raum außerhalb!

Ein zweiter Punkt gegen die Hawking-Analogie ist, dass der Ereignishorizont enorm tief in der Potentialquelle des Schwarzen Lochs liegt. Damit ein Teilchen oder Photon aus dem BH entweicht (welche Hawking-Strahlung benötigt), muss es mit genügend zusätzlicher Energie erzeugt werden, um aus dem BH entweichen zu können - und ein BH kann als ein Objekt mit einer Fluchtgeschwindigkeit betrachtet werden, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Wimpy kleine virtuelle Partikel, die ihren Partner zum BH verloren, würden es nie ausmachen.

Wenn Sie etwas tiefer gehen möchten, empfehle ich den Blog Backreaction von Sabine Hossenfelder, der einen langen Beitrag mit vielen Links zu weiteren Informationen enthält. Backreaction ist einer der besten Blogs, die derzeit in der Grenzphysik populär gemacht werden, was zum großen Teil darauf zurückzuführen ist, dass Hossenfelder ein aktiver Forscher und ein guter Schriftsteller ist.

Sie haben sich leicht an eine verbreitete (wenn auch schlechte) Art der Beschreibung der Hawking-Strahlung erinnert. Physik-Popularisierer beschreiben es manchmal als ein Paar von Partikeln, von denen eine Materie und die andere negative Materie ist. Oder eine davon ist Antimaterie und die andere ist negative Antimaterie. So entweicht dein Proton und dein Negativ-Materie-Proton wird absorbiert. Oder Ihr Antiproton entweicht und Ihr Negativ-Antimaterie-Antiproton wird absorbiert. Die negative Materie (oder negative Antimaterie) verkleinert das Schwarze Loch.

Obwohl dies eine übliche Art ist, Dinge für Nicht-Physiker zu beschreiben, ist es eine schlechte Art, sie zu beschreiben. Es ist verwirrend, weil es genau die Frage aufwirft, die Sie aufgeworfen haben: Warum fliegt die negative Materie nicht nach außen und schrumpft den ersten Stern oder Planeten, auf den sie trifft? Auch negative Materie wurde nie entdeckt. Es gibt keinen besonderen Grund zu der Annahme, dass dies ein nützliches Konstrukt zum Verständnis von Schwarzen Löchern ist. (Wenn es existiert, können Sie es möglicherweise verwenden, um Wurmlöcher zu stabilisieren, was sehr nützlich sein kann.)

Es ist besser, die Hawking-Strahlung so zu beschreiben, wie es die anderen Antworten hier getan haben, ohne auf virtuelle negative Partikel zurückzugreifen.

Diese Erklärung der Hawking-Strahlung als sich bildende virtuelle Teilchen und ein in ein Schwarzes Loch fallendes Teilchen ist unvollständig. Stephen Hawking stellte sich ursprünglich einen Weg von der fernen Vergangenheit in die ferne Zukunft und eine geodätische Null (Weg des Lichts) vor. Ein Schwarzes Loch entsteht auf dem Weg der Geodät, kurz bevor es die Stelle passiert, an der das Schwarze Loch entsteht. Es ist die letzte Geodät, die dies tut.
Das Vakuum ist nicht leer. Es besteht aus einigen Schwingungen wegen des Unsicherheitsprinzips. Dieses Vakuumfeld besteht aus vielen Frequenzmoden. Sie schaffen immer wieder virtuelle Partikel, die sich gegenseitig auslöschen. Man kann sich das Antiteilchen als Schwingung im Quantenfeld mit negativer Frequenz vorstellen, dh es wandert in der Zeit zurück. Das gebildete Schwarze Loch stößt einige Frequenzen der vorbeiziehenden Geodäsie an. Die Geodäsie erstellt ihre Felder also aus den verbleibenden Frequenzen. Und als Antiteilchen kann man sich ein Teilchen mit einer zeitlich rückwärts laufenden Frequenz vorstellen, dessen Frequenz immer an das Schwarze Loch verloren geht und das aus den verbleibenden Frequenzmoden ein virtuelles Teilchen erzeugt.