Eu posso ter algumas especificidades erradas aqui. Se assim for, não se concentre neles. Apenas se concentre no impulso geral da minha pergunta.
Entendo (tosse) que os pares partícula / antipartícula se formam espontaneamente no espaço. Entendo que eles podem se formar perto do horizonte de eventos de um buraco negro e que uma partícula pode cair, onde, como a outra partícula, mal consegue escapar. Eu entendo que um anti-partícula irá aniquilar com uma partícula. O que não entendo é por que apenas as antipartículas desses pares de partículas virtuais caem no buraco negro, enquanto os outros conseguem escapar. As partículas e as antipartículas não deveriam ter a mesma chance de cair ou apenas conseguir escapar?
Parece que deveria haver uma chance igual de a partícula ou a antipartícula ser capturada enquanto a outra "ejetada". Portanto, parece que o buraco negro deve estar de certa forma estável no que diz respeito à mudança de massa em relação às partículas virtuais.
Explicar?
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Respostas:
Não. Primeiro, as partículas e as antipartículas têm massa "normal" (se elas tiverem massa em primeiro lugar) e energia "normal" (positiva). A distinção entre eles é uma questão de convenção ou uma questão de qual tipo é mais comum no universo. Além disso, para buracos negros de massa típica, a maior parte da radiação Hawking seria feita de fótons, que, falando corretamente, nem possuem antipartículas, embora se possa dizer também que são suas próprias antipartículas.
Sim, e os não carregados sim. Um buraco negro menor irradiaria neutrinos e anti-neutrinos, assumindo que todos os neutrinos são maciços (caso contrário, todos os buracos negros já o fariam) e um suficientemente pequeno (e, portanto, suficientemente quente) irradiaria elétrons e pósitrons. Muito grosso modo, um buraco negro irradiará quantidades não desprezíveis de partículas maciças quando a temperatura do buraco negro estiver na ordem da massa de partículas ou maior, em unidades naturais.
Correto, com uma pequena exceção de que, se um buraco negro quente tiver carga elétrica, é mais provável que irradie partículas do mesmo sinal de carga.
Se uma partícula ou uma antipartícula cair em um buraco negro, sua massa aumentará. Não importa. Fundamentalmente, a "razão" da radiação de Hawking é que o estado de vácuo na teoria quântica de campos é um estado de menor energia, mas diferentes observadores podem discordar sobre qual estado é o vácuo. Assim, como as partículas flutuam sobre o vácuo, elas podem discordar sobre a existência ou não de partículas.
Não acho que exista uma boa maneira de reparar a história das "antipartículas em queda", exceto algum apelo indireto à conservação de energia: se a partícula que sai é real e tem energia positiva, a que caiu deve ter energia negativa e teria portanto, diminua a massa do buraco negro. Infelizmente, isso mostra apenas o que deve acontecer para que a situação seja consistente, e não que ela realmente aconteça.
Embora com algum conhecimento da relatividade geral, alguém possa motivá-lo um pouco mais - por exemplo, para o buraco negro de Schwarzschild, há conservação de energia fornecida por um campo vetorial de Killing, que vai do tempo para o espaço no horizonte - então o que é um externo o observador considera que tempo / energia seria espaço / momento dentro do buraco negro, e é permitido que o momento seja negativo.
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Primeiro, gostaria de destacar e recomendar a resposta de @ user83692435, que veio primeiro e está correta. Expandindo-o:
A imagem de um par virtual partícula / antipartícula sendo criada e, em seguida, sendo engolida pelo horizonte de eventos, deixando o outro como real é uma analogia que fornece uma imagem do que está acontecendo, mas definitivamente não está correta. Os popularizadores continuam a usá-lo porque o que realmente está acontecendo é extremamente complexo e não é facilmente explicável em palavras. (E não vou tentar!) Mas aqui está um link para um artigo técnico sobre o assunto .
Mas talvez o ponto mais revelador contra a simples explicação seja que a radiação Hawking não vem do horizonte de eventos exigido pela analogia, mas do espaço exterior!
Um segundo ponto contra a analogia de Hawking é que o horizonte de eventos é muito profundo no poço potencial do buraco negro. Para que uma partícula ou fóton escape da BH (que a radiação Hawking deve), ela deve ser criada com energia adicional suficiente para escapar da BH - e uma BH pode ser pensada em um objeto com uma velocidade de escape maior que a velocidade da luz. Pequenas partículas virtuais fracassadas que perderam seu parceiro para o BH nunca conseguiriam entender.
Se você quiser se aprofundar um pouco mais, recomendo o blog Backreaction, de Sabine Hossenfelder, que tem um longo post com muitos links para mais informações. A reação posterior é um dos melhores blogs de popularização da física de fronteira atualmente, em parte significativa porque Hossenfelder é um pesquisador ativo e um bom escritor.
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Você se lembrou um pouco de uma maneira comum (embora ruim) de descrever a radiação Hawking. Os popularizadores da física às vezes o descrevem como um par de partículas sendo criadas, uma das quais é matéria e a outra é matéria negativa. Ou um dos quais é antimatéria e o outro é antimatéria negativa. Portanto, seu próton escapa e seu próton de matéria negativa é absorvido. Ou seu antipróton escapa e seu antimatéria-negativo antipróton é absorvido. A matéria negativa (ou antimatéria negativa) encolhe o buraco negro.
Embora essa seja uma maneira comum de descrever coisas para não-físicos, é uma maneira ruim de descrevê-la. É confuso porque sugere a pergunta exata que você levantou: por que a matéria negativa não voa para fora e encolhe a primeira estrela ou planeta que ela atinge? Além disso, matéria negativa nunca foi detectada. Não há nenhuma razão particular para pensar que é uma construção útil para entender buracos negros. (Embora, se existir, você poderá usá-lo para estabilizar os buracos de minhoca, o que pode ser muito útil).
É melhor descrever a radiação Hawking como as outras respostas aqui, sem recorrer a partículas negativas virtuais.
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Esta explicação da radiação Hawking como partículas virtuais se formando e uma partícula caindo no buraco negro é incompleta. Stephen Hawking originalmente imaginou um caminho do passado distante para o futuro distante e um nódulo geodésico (caminho da luz) que o viaja. Um buraco negro é formado no caminho da geodésica imediatamente antes de passar pelo local onde o buraco negro é formado. É a última geodésica a fazê-lo.
O vácuo não está vazio. Consiste em algumas vibrações devido ao princípio da incerteza. Este campo de vácuo é composto de muitos modos de frequência. Eles continuam criando pares antipartículas de partículas virtuais que se aniquilam. A anti-partícula pode ser considerada uma vibração no campo quântico com frequência negativa, ou seja, viajando de volta no tempo. O buraco negro formado cutuca algumas frequências do geodésico que passou. Assim, a geodésica cria seus campos a partir das frequências restantes. E como a antipartícula pode ser vista como partícula com a frequência que viaja para trás no tempo, sua frequência é sempre perdida no buraco negro e o campo cria uma partícula virtual a partir dos modos de frequência restantes.
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