Domanda:
In che modo la gravità sfugge a un buco nero?
Nogwater
2010-11-16 23:39:59 UTC
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La mia comprensione è che la luce non può sfuggire dall'interno di un buco nero (all'interno dell'orizzonte degli eventi). Ho anche sentito dire che le informazioni non possono propagarsi più velocemente della velocità della luce. Mi sembra che l'attrazione gravitazionale causata da un buco nero trasporta informazioni sulla quantità di massa all'interno del buco nero. Allora, come sfuggono queste informazioni? Guardandolo dal punto di vista delle particelle: i gravitoni (dovrebbero esistere) viaggiano più velocemente dei fotoni?

Il [teorema dell'assenza di capelli] (http://en.wikipedia.org/wiki/No-hair_theorem) dice che i buchi neri non sono completamente glabri. Hanno cinque capelli: massa-energia $ M $, momento lineare $ P $ (tre componenti), momento angolare $ J $ (tre componenti), posizione $ X $ (tre componenti), carica elettrica $ Q $.
Se pensi alla gravità come a una forza repulsiva, ha senso che la gravità non debba "fuggire" da un buco nero.Ciò che non riesce a sfuggire è la forza che respinge la materia e che fa sembrare la gravità più forte.
Penso che questo video ne spieghi una parte: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v4;è una simulazione numerica di un evento di fusione di un buco nero. Puoi vedere che le onde non vengono generate dall'interno dei buchi neri.
Strano, il buco nero non succhia i gravitoni.
Ci sono molte buone risposte qui, ma un altro buon modo per vederlo è disegnare il diagramma di Penrose per un buco nero che si è formato dal collasso gravitazionale (vedere, ad esempio, i diagrammi qui http://physics.stackexchange.com/a/ 146852/4552).Fissare un evento al di fuori dell'orizzonte per rappresentare il tempo vissuto da un osservatore.Ci sono superfici di simultaneità attraverso quel punto secondo le quali il buco nero non si è ancora formato, quindi se lo desideri, il campo statico può essere semplicemente considerato il campo della materia preesistente da cui si è formato il buco.
Penso che questa domanda mostri un malinteso relativo al malinteso del "modello a palla di neve" dei fotoni, in cui alcune persone pensano che gli elettroni si respingano perché si lanciano fotoni l'un l'altro come due pattinatori sul ghiaccio si respingono lanciandosi palle di neve l'uno contro l'altro.Non è così che funzionano le forze.In che modo elettroni e positroni si attraggono l'un l'altro? Le particelle interagiscono con i campi ei fotoni sono la quantizzazione del campo EM.Allo stesso modo per la gravità.Non puoi criticare un laico se lo pensa perché questo è spesso il modo in cui viene presentato in discorsi e spettacoli popolari.La verità è più complicata.
@Ben Crowell: "il campo statico può essere semplicemente considerato il campo della materia preesistente da cui si è formato il buco" Penso che il tuo commento arrivi al cuore della questione e renda irrilevanti tutte le risposte più dettagliate.L'uso del teorema della shell mostra che è vero anche nella meccanica classica (almeno per i casi con simmetria sferica).
Diciassette risposte:
#1
+288
Keenan Pepper
2010-11-17 08:45:27 UTC
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Ci sono già alcune buone risposte qui, ma spero che questo sia un bel breve riassunto:

La radiazione elettromagnetica non può sfuggire a un buco nero, perché viaggia alla velocità della luce. Allo stesso modo, anche la radiazione gravitazionale non può sfuggire a un buco nero, perché anch'essa viaggia alla velocità della luce. Se la radiazione gravitazionale potesse fuoriuscire, potresti teoricamente usarla per inviare un segnale dall'interno del buco nero all'esterno, il che è proibito.

Un buco nero, tuttavia, può avere una carica elettrica, il che significa che c'è un campo elettrico attorno ad essa. Questo non è un paradosso perché un campo elettrico statico è diverso dalla radiazione elettromagnetica. Allo stesso modo, un buco nero ha una massa, quindi ha un campo gravitazionale attorno ad esso. Anche questo non è un paradosso perché un campo gravitazionale è diverso dalla radiazione gravitazionale.

Dici che il campo gravitazionale trasporta informazioni sulla quantità di massa (in realtà energia) all'interno, ma questo non dà modo a qualcuno all'interno per inviare un segnale all'esterno, perché per farlo dovrebbero creare o distruggere energia, cosa impossibile. Quindi non c'è paradosso.

Si noti che NON è NECESSARIO introdurre alcuna meccanica quantistica in questa discussione. Ecco perché ho detto specificamente "radiazione elettromagnetica" e "radiazione gravitazionale", non "fotoni" o "gravitoni".
È stato dimostrato che il campo gravitazionale attorno a un buco nero non è sfuggito alla gravità dall'interno del buco nero o almeno parte della gravità interna è sfuggita all'esterno aggiungendosi al suo campo gravitazionale esterno?
Pur essendo d'accordo sul fatto che la luce / elettromagnetismo in generale sia intrappolato all'interno, devo essere in disaccordo con qualsiasi affermazione della forma "... ______ non può sfuggire a un buco nero ... perché ... viaggia alla velocità della luce".La velocità di propagazione di qualcosa non è sequitur (motivo insufficiente / irrilevante).Comunque sia definita "radiazione gravitazionale", credo che la gravità (ad esempio di un'altra origine) possa passare anche attraverso un buco nero.
Vietato?È davvero la parola giusta.Sembra che non dovremmo mettere in discussione la scienza, che è per definizione ciò che è la scienza.
I fisici di @Michael usano "proibito" più o meno in modo intercambiabile con "impossibile".Entrambi hanno sempre un qualificatore implicito di "... secondo le nostre migliori teorie e assiomi attuali".
Grazie per questa risposta.Sfortunatamente, soprattutto mi ricorda che non so cosa sia veramente un campo.:)
Dici proibito come se sarò condannato all'esecuzione se violi quel minimo.
#2
+195
Vagelford
2010-11-16 23:55:40 UTC
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Ebbene, l'informazione non deve sfuggire dall'interno dell'orizzonte, perché non è all'interno. Le informazioni sono all'orizzonte.

Un modo per vederlo, è dal fatto che nulla attraversa mai l'orizzonte dalla prospettiva di un osservatore al di fuori dell'orizzonte di un buco nero. Arriva asintoticamente all'orizzonte in un tempo infinito (poiché è misurato dalla prospettiva di un osservatore all'infinito).

Un altro modo per vederlo, è il fatto che puoi ottenere tutte le informazioni di cui hai bisogno da le condizioni al contorno all'orizzonte per descrivere lo spazio-tempo esterno, ma questo è qualcosa di più tecnico.

Infine, poiché la GR classica è una teoria geometrica e non una teoria quantistica dei campi *, i gravitoni non sono appropriati modo per descriverlo.

* Per chiarire questo punto, GR può ammettere una descrizione nel quadro delle teorie di gauge come la teoria dell'elettromagnetismo. Ma anche se l'elettromagnetismo può ammettere una seconda quantizzazione (ed essere descritto come un QFT), GR non può.

Se dalla prospettiva di un osservatore al di fuori dell'orizzonte nulla supera mai l'orizzonte, come cresce e si espande il buco nero (dal punto di vista dell'osservatore)? Chiaramente hai ragione sulle condizioni al contorno ecc. Ma allora dovresti chiederti chi ha deciso le condizioni al contorno?Chiaramente la massa interna li ha determinati, e poi di nuovo la domanda è: come?
Questo è fuorviante.L'informazione che sfugge sulla massa non arriva mai realmente all'orizzonte.È codificato nella curvatura dello spazio attorno al buco nero (questo include la parte molto vicina all'orizzonte, ma molte delle informazioni non sono vicine all'orizzonte).
@itamarhason presumibilmente tutta la roba si attacca all'orizzonte rendendo l'orizzonte più grande
Perlopiù d'accordo, ma non c'è bisogno di individuare l'orizzonte, credo.Le informazioni su cosa dovrebbe fare qualsiasi bit dello spaziotempo sono fornite dai bit adiacenti dello spaziotempo (più l'equazione del campo), indipendentemente da dove ti capita di guardare.E i bit vicini hanno ottenuto la loro configurazione dai loro vicini, e così via, nel passato.
#3
+54
Daniel
2010-11-17 01:32:11 UTC
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Togliamoci qualcosa di mezzo: acconsentiamo a non inserire gravitoni in questa risposta. La logica è semplice: quando parli di gravitoni, implichi un sacco di cose sui fenomeni quantistici, nessuna delle quali è realmente necessaria per rispondere alla tua domanda principale. In ogni caso, i gravitoni si propagano con la stessa velocità dei fotoni: la velocità della luce, $ c $. In questo modo possiamo concentrarci semplicemente sulla GR classica, ovvero la geometria differenziale dello spaziotempo: questo è più che sufficiente per rispondere alla tua domanda.

In questa impostazione, GR è una teoria che dice quanta curvatura uno spazio "soffre" data una certa quantità di massa (o energia, cfr Tensore energia-stress).

Un buco nero è una regione dello spaziotempo che ha una curvatura così intensa da "pizzicare" una certa regione dello spaziotempo.

In questo senso, non è male capire cosa sta succedendo: se puoi misurare la curvatura dello spaziotempo, puoi sicuramente dire se ti stai muovendo o meno verso una regione di curvatura crescente (cioè, verso un foro di blocco).

Questo è esattamente ciò che viene fatto: si misura la curvatura dello spaziotempo e questo è sufficiente: la curvatura è così intensa che i coni di luce sono "capovolti". In quel punto esatto, definisci l ' Orizzonte degli eventi, ovvero quella regione dello spaziotempo in cui la causalità è influenzata dalla curvatura dello spaziotempo.

In questo modo crei una mappa dello spaziotempo e può tracciare i buchi neri. Dato che la curvatura è proporzionale all'attrazione gravitazionale, questa sequenza di idee risolve completamente il tuo dubbio: non hai niente che esce dal buco nero, né niente del genere. Tutto ciò di cui hai bisogno è tracciare la curvatura dello spaziotempo, misurando ciò che accade alla struttura del tuo cono di luce. Quindi, trovi il tuo orizzonte degli eventi e, quindi, il tuo buco nero. In questo modo hai tutte le informazioni di cui hai bisogno, senza che nulla esca dal buco nero.

Supponiamo, molto ipoteticamente ovviamente, che una massa extra sia stata improvvisamente creata all'interno del buco nero. La curvatura dello spaziotempo al di fuori del buco nero cambierebbe? Mi rendo conto che questo è un processo non fisico, ma se la mano di Dio si è abbassata e ha creato un grosso ammasso di cose appena dentro l'orizzonte degli eventi, cosa ci dicono le equazioni di GR sul fatto che saremmo in grado di raccontare dell'evento da fuori dall'orizzonte degli eventi?
Se "The Hand of God" (e non stiamo parlando di Maradona ;-) ha fatto qualcosa del genere ** e ** stavamo pensando solo alla ** GR classica **, noi possiamo dire quanto segue: sarebbe possibile misurare tale cambiamento, nel senso che la curvatura dello spaziotempo cambierebbe e potremmo vedere che il buco nero diventa più massiccio in questo modo (la curvatura aumenta).
La cosa da notare è che la * curvatura * non è qualcosa che vive solo * all'interno * del Buco Nero: questa è una proprietà dello spaziotempo nel suo ** intero **, ed è questo che conta. Le proprietà globali, * topologiche *, sono cose molto non intuitive. ;-)
Ma allora l'informazione non passa dall'interno del buco nero all'esterno? Potrei inviare il codice morse attivando e disattivando la mia massa, giusto?
@MarkE: * solo * se tu fossi Dio. Guarda, la linea di fondo è che abbiamo a che fare con * classico * GR, e non Quantum Gravity né i suoi effetti. E, nell'ambito del * classico * GR, è semplicemente ** non ** possibile modificare nessuna delle proprietà (carica, massa, momento angolare) di un buco nero dall'interno di esso. Un buco nero è semplicemente un "pozzo" di campi gravitazionali.
@MarkE: Potrei aprire la mia cassetta degli attrezzi magica e parlare di olonomie e della loro relazione con le orbite in GR (cioè con geodetiche chiuse). E, mappando le olonomie di uno spazio, puoi ottenere informazioni sulla sua curvatura. Quindi, se stai orbitando attorno a un buco nero, puoi raccogliere tutte le informazioni sulla sua curvatura. (Ecco perché ho fatto quel commento sulle proprietà globali degli spazi: sono molto non intuitivi.)
Quindi ... se sto seguendo, coni di luce capovolti significa che le informazioni sulla massa non provengono dall'orizzonte degli eventi (la causalità non scorre in questo modo). Invece la gravità proviene dall'orizzonte degli eventi, il che suona come se si adattasse alla risposta di @Vagelford's. La massa non è in una certa singolarità al centro del buco nero, ma è distribuita attorno al bordo? Una sfera di massa "crea" lo stesso campo gravitazionale di quella stessa massa in un punto dal punto di vista di qualcuno al di fuori della sfera, giusto?
@Nogwater: Per quanto ne sappiamo, la massa stessa è alla singolarità, per qualche definizione di "è" (vale a dire che il tempo proprio tra l'attraversamento dell'orizzonte degli eventi e il raggiungimento della singolarità è finito). Ma, parlando in termini vaghi, l '_informazione_ di quanta massa c'è viene "impressa" all'orizzonte, non "cade" fino alla singolarità insieme alla massa. In una forma più precisa, questo è chiamato [principio olografico] (http://en.wikipedia.org/wiki/Holographic_principle).
@Nogwater: Anche se DavidZ ha già risposto, voglio solo offrire il mio 2 ¢: le cose che accadono all'interno di un buco nero (es. Aumento di massa) influenzano la curvatura dello spaziotempo, e questo può essere misurato dall'esterno. Puoi scegliere di comprenderlo tramite il principio olografico, ma non è necessario che tu lo sappia: è geometria differenziale (e topologia) vanigliata.
Vorrei sottolineare che l'esistenza di un orizzonte degli eventi non è un effetto di curvatura elevata. L'orizzonte degli eventi dipende dalla struttura causale dello spazio-tempo mentre la curvatura ti dà la forza delle forze di marea. Puoi avere un orizzonte degli eventi con bassa curvatura. Ad esempio, nel caso di un buco nero di Schwarzschild, dove l'orizzonte degli eventi è al raggio $ R_s = 2M, $ se si calcolano le componenti di curvatura rilevanti che sono $ \ propto \ frac {M} {r ^ 3}, $ you si può vedere che all'orizzonte la curvatura scala come $ \ frac {1} {M ^ 2}. $ Quindi, maggiore è la massa, minore è la curvatura.
Nogwater ha chiesto specificamente una spiegazione in termini di gravitoni, quindi perché dovremmo concordare di non inserirli nella risposta?
@Daniel Grumiller: In termini più generali, non è necessario essere d'accordo né con nessun altro. Ma, in questo caso particolare, il motivo è abbastanza semplice: perché è possibile rispondere alla domanda originale senza dover parlare di una possibile quantizzazione di GR. Per rispondere in modo appropriato e scientifico alla domanda originale, tenendo conto dei gravitoni, prima o poi si dovrebbe calcolare la diffusione della luce da parte dei gravitoni (e viceversa), il che complicherebbe immensamente una risposta altrimenti più semplice.
@Daniel: non è necessario quantizzare la gravità o calcolare effettivamente alcuni elementi della matrice S per capire concettualmente come e perché i gravitoni (Coulomb-) "sfuggono" a un buco nero. Penso che questo sia sufficiente per rispondere a questa domanda ...
Certo, probabilmente hai ragione. Ma preferirei non usarne più del necessario (in termini di ipotesi o struttura extra): se puoi rispondere con una sorta di insieme di ipotesi 'minimo', perché 'complicare' il problema - e devi affrontarlo con le conseguenze di dette "complicazioni" in seguito? ;-)
Se tutto ciò di cui abbiamo bisogno è la curvatura per sentire l'effetto della gravità, allora dove entra in gioco la radiazione gravitazionale?
#4
+48
Jerry Schirmer
2010-11-17 07:44:11 UTC
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Il problema qui è un malinteso di cosa sia una particella in QFT.

Una particella è un ' eccitazione di un campo, non il campo stesso. In QED, se si imposta una carica centrale statica e la si lascia lì per un tempo molto lungo, viene impostato un campo $ E = k {q \ over r ^ 2} $. Niente fotoni. Quando un'altra carica entra in quella regione, sente quella forza. Ora, quella seconda carica si disperderà e accelererà e , avrai una $ e ^ {-} - >e ^ {-} + \ gamma $ reazione a causa di quell'accelerazione, (classicamente, le onde create da un disturbo nel campo EM) ma non avrai uno scambio di fotoni con la carica centrale, almeno non finché non sentirà il campo impostato dalla nostra prima carica, che avverrà a un po 'più tardi.

Consideriamo ora il buco nero. È una soluzione statica delle equazioni di Einstein, seduta lì felicemente. Quando è invaso da una massa di prova, ha già impostato il suo campo. Quindi, quando qualcosa si disperde, si sposta lungo il campo creato dal buco nero. Ora, accelererà e forse "irradierà un gravitone", ma il buco nero lo percepirà solo dopo che il campo di radiazione della particella di prova è entrato nell'orizzonte del buco nero, cosa che può fare liberamente. Ma da nessuna parte in questo processo, una particella lascia l'orizzonte del buco nero.

Un altro esempio del perché la nozione ingenua di tutte le forze provenienti da un diagramma di Feynman con due paia di gambe è il bosone di Higgs: l'intero universo è immerso in un campo di Higgs diverso da zero. Ma parliamo della "creazione" delle "particelle" di Higgs solo quando disturbiamo il campo di Higgs abbastanza da creare increspature nel campo di Higgs - onde di Higgs. Quelle sono le particelle di Higgs che stiamo cercando nell'LHC. Non hai bisogno di increspature nel campo gravitazionale per spiegare perché un pianeta orbita attorno a un buco nero. Hai solo bisogno del campo per avere una certa distribuzione.

Grazie, questo è stato un grande chiarimento per me!
Se un campo E statico non imposta fotoni, allora come un'altra carica sentirà la sua presenza perché in QED i fotoni propagano la forza E ... Questo è come un argomento ciclico.Ma come sentirà l'altra carica un campo statico se quel campo non ha prodotto fotoni per mediare l'attrazione
@shashaank, in questo caso, sono le condizioni iniziali del problema, ma ricorda che solo le cariche in accelerazione si irradiano, quindi tutti i fotoni che "hanno creato il campo" sono stati irradiati quando la carica è stata prima messa al suo posto
#5
+26
Ted Bunn
2011-01-14 03:27:06 UTC
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Penso che sia utile riflettere sulla domanda correlata di come il campo elettrico esce da un buco nero carico. Questa domanda è emersa nella sezione (ormai defunta) Q&A dell ' American Journal of Physics negli anni '90. Matt McIrvin e io abbiamo scritto una risposta che è stata pubblicata sulla rivista. Puoi vederlo su https://facultystaff.richmond.edu/~ebunn/ajpans/ajpans.html.

Come altri hanno sottolineato, è più facile pensare alla domanda in termini puramente classici (evitando qualsiasi menzione di fotoni o gravitoni), sebbene nel caso del campo elettrico di un buco nero carico la domanda sia perfettamente posizionata anche in termini quantistici: al momento non abbiamo una teoria della gravità quantistica, ma pensiamo di comprendere l'elettrodinamica quantistica nello spaziotempo curvo.

#6
+20
Stan Liou
2011-01-18 04:17:16 UTC
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Sebbene per molti versi alla domanda sia già stata data una risposta, penso che dovrebbe essere sottolineato che a livello classico, la domanda è in un certo senso al contrario. La discussione precedente sulle proprietà statiche e dinamiche è particolarmente vicina.

Esaminiamo prima un modello giocattolo di un sottile guscio sfericamente simmetrico di particelle di polvere che collassa in un buco nero di Schwarzschild. Lo spaziotempo al di fuori della shell sarà quindi anche Schwarzschild, ma con un parametro di massa più grande del buco nero originale (se la shell inizia a riposo all'infinito, allora solo la somma dei due). Intuitivamente, la situazione è analoga al teorema della shell di Newton, che è un analogo più limitato in GTR. Ad un certo punto, attraversa l'orizzonte e alla fine viene distrutto dall'esistenza alla singolarità, il buco nero ora guadagna massa.

Quindi abbiamo la seguente immagine: quando il guscio collassa, il campo gravitazionale esterno prende su un certo valore, e mentre attraversava l'orizzonte, le informazioni su ciò che sta facendo non possono uscire dall'orizzonte. Pertanto, il campo gravitazionale non può cambiare in risposta all'ulteriore comportamento del guscio, poiché questo invierebbe un segnale attraverso l'orizzonte, ad esempio, una persona che cavalca insieme al guscio sarebbe in grado di comunicare attraverso di esso manipolando il guscio.

Pertanto, anziché la gravità che ha una proprietà speciale che le consente di attraversare l'orizzonte, in un certo senso la gravità non può attraversare l'orizzonte, ed è proprio quella proprietà che forza la gravità al di fuori di esso per rimanere lo stesso.

Sebbene la risposta di cui sopra presumesse già un buco nero, non importa affatto, poiché per una stella che collassa sfericamente l'orizzonte degli eventi inizia al centro e si estende durante il collasso (per la situazione precedente, si espande anche a incontra la conchiglia). Si presume anche che la situazione abbia una simmetria sferica, ma anche questa risulta non essere concettualmente importante, sebbene per ragioni molto più complicate e non ovvie. In particolare, i teoremi di Penrose e Hawking, poiché alcuni inizialmente pensavano (o forse dovrei dire sperato ) che qualsiasi perturbazione della simmetria sferica avrebbe impedito la formazione di buchi neri.

Potresti anche chiederti una domanda correlata: se la soluzione di Schwarzschild di GTR è un vuoto, ha senso che un vuoto pieghi lo spaziotempo? La situazione è in qualche modo analoga a quella più semplice dell'elettromagnetismo classico. Le equazioni di Maxwell stabiliscono come cambiano i campi elettrico e magnetico in risposta alla presenza e al movimento di cariche elettriche, ma le cariche da sole non determinano il campo, poiché puoi sempre avere un'onda che entra dall'infinito senza contraddizioni (o qualcosa di più esotico , come un campo magnetico costante ovunque), e in pratica queste cose sono dettate da condizioni al contorno. La situazione è simile in GTR, dove l'equazione di campo di Einstein che determina il modo in cui la geometria è connessa fissa solo la metà dei venti gradi di libertà della curvatura dello spaziotempo.

#7
+19
Daniel Grumiller
2011-02-10 00:02:05 UTC
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Secondo me questa è un'ottima domanda, che riesce a sconcertare anche alcuni fisici affermati. Quindi non esito a fornire un'altra risposta, un po 'più dettagliata, anche se esistono già diverse buone risposte.

Penso che almeno una parte di questa domanda si basi su una comprensione incompleta di cosa significa mediare una forza statica dal punto di vista della fisica delle particelle. Come altri hanno già detto nelle loro risposte, incontri un problema simile nel problema di Coulomb nell'elettrodinamica.


Consentitemi di rispondere alla vostra domanda dal punto di vista della teoria dei campi, poiché credo che ciò concordi meglio con la vostra intuizione sullo scambio di particelle (come risulta dal modo in cui avete formulato la domanda).

Primo, nessuna onda gravitazionale può sfuggire dall'interno del buco nero, come hai già accennato nella tua domanda.

Secondo, nessuna onda gravitazionale deve sfuggire dall'interno del buco nero (o dall'orizzonte) al fine di mediare una forza gravitazionale statica.

Le onde gravitazionali non mediano la forza gravitazionale statica, ma solo quadrupoli o momenti superiori.

Se vuoi pensare a forze in termini di particelle che vengono scambiate puoi vedere la forza gravitazionale statica (il momento monopolare, se lo desideri) come mediata dai "Coulomb-gravitoni" (vedi sotto per l'analogia con l'elettrodinamica). I coulomb-gravitoni sono gradi di libertà gauge (quindi si può esitare a chiamarli "particelle"), e quindi nessuna informazione è mediata dalla loro "fuga" dal buco nero.


Questo è abbastanza analogo a ciò che accade nell'elettrodinamica: lo scambio di fotoni è responsabile della forza elettromagnetica, ma le onde fotoniche non sono responsabili della forza di Coulomb.

Le onde fotoniche sì non mediare la forza elettromagnetica statica, ma solo dipolo o momenti superiori.

Puoi vedere la forza elettromagnetica statica (il momento monopolare, se lo desideri) come mediata dai fotoni di Coulomb. I fotoni di coulomb sono gradi di libertà gauge (quindi si può esitare a chiamarli "particelle"), e quindi nessuna informazione è mediata dalla loro trasmissione "istantanea".

In realtà, questo è esattamente il modo in cui trattate la forza di Coulomb nel contesto QFT. Nella cosiddetta teoria della perturbazione di Bethe-Salpeter si sommano tutti i grafici ladder con scambi di fotoni di Coulomb e si ottiene in questo modo il potenziale 1 / r all'ordine principale e varie correzioni quantistiche (spostamento di Lamb ecc.) All'ordine sub-guida nell'elettromagnetico costante di struttura fine.


In sintesi, è possibile pensare alla forza di Schwarzschild e di Coulomb in termini di scambio di alcune particelle (virtuali) (gravitoni o fotoni di Coulomb), ma come queste le "particelle" sono in realtà gradi di libertà misurati, nessun conflitto sorge con la loro "fuga" dal buco nero o la loro trasmissione istantanea in elettrodinamica.

Un modo elegante (ma forse meno intuitivo) per arrivare alla stessa risposta è osservare che (date alcune condizioni) la massa dell'ADM - per lo spazio-tempo del buco nero stazionario questo è ciò che chiamereste la "massa del buco nero" - è conservata. Pertanto, questa informazione è fornita dalle condizioni al contorno "dall'inizio", cioè anche prima che si formi un buco nero. Pertanto, questa informazione non deve mai "sfuggire" al buco nero.


Come nota a margine, in una delle sue lezioni Roberto Emparan ha posto la tua domanda (formulata in modo un po 'diverso) come esercizio per i suoi studenti, e ne abbiamo discusso per almeno un'ora prima che tutti era soddisfatto della risposta o si è arreso ;-)

Risposta interessante, sto imparando molto.Puoi spiegare cosa intendi esattamente per "misurare i gradi di libertà"?Sono semplicemente astrazioni matematiche o c'è un significato fisico?
#8
+13
matthiasr
2010-11-16 23:53:21 UTC
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La gravità non funziona come la luce (motivo per cui la gravità quantistica è dura).

Un corpo massiccio "ammacca" lo spazio e il tempo, così parlando, la luce fa fatica a correre in salita. Ma la collina stessa (cioè lo spaziotempo curvo) deve essere lì in primo luogo.

Ma potresti anche chiedere "Come fa la forza elettrica a sfuggire a un buco nero carico", che sarebbe una domanda altrettanto valida.
#9
+13
Marek
2010-11-17 01:23:27 UTC
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Penso che la migliore spiegazione che si possa dare sia questa: devi discernere tra proprietà statiche e dinamiche dello spazio-tempo. Cosa intendo con questo?

Bene, ci sono alcuni spazi-tempi che sono statici. Questo è ad esempio il caso della soluzione del buco nero prototipo di GTR. Ora, questo spazio-tempo esiste a priori (per definizione statico: è sempre stato lì e sempre sarà), quindi la gravità non ha davvero bisogno di propagarsi. Come ci dice GTR, la gravità è solo un'illusione lasciata su di noi dallo spazio-tempo curvo. Quindi non c'è paradosso qui: i buchi neri sembrano gravitare (come nel produrre una certa forza ed essere dinamici) ma in realtà sono completamente statici e non è necessaria alcuna propagazione di informazioni. In realtà sappiamo che i buchi neri non sono completamente statici ma questa è una prima approssimazione corretta a quell'immagine.

Ora, per affrontare la parte dinamica, si possono intendere due cose diverse con questo:

  • Attuale cambiamento globale dello spazio-tempo, come si può vedere ad es nell ' espansione dell'universo. Questa espansione non ha bisogno di obbedire alla velocità della luce, ma questo non è in contraddizione con nessuna legge conosciuta. In particolare non è possibile inviare segnali superluminali. In realtà, è vero il contrario: con un'espansione troppo rapida parti dell'universo potrebbero allontanarsi troppo perché anche la loro luce possa raggiungerci. Verranno disconnessi causalmente dal nostro settore dello spazio-tempo ea noi sembrerà come se non fosse mai esistito. Quindi non dovrebbe sorprendere che nessuna informazione possa essere comunicata.
  • Onde gravitazionali, che è un nome semplicemente stravagante per i disturbi nello spazio-tempo sottostante. Obbediscono alla velocità della luce e le particelle quantistiche corrispondenti sono chiamate gravitoni. Ora queste onde / particelle in effetti non sarebbero in grado di sfuggire da sotto l'orizzonte (esattamente allo stesso modo di qualsiasi altra particella, ad eccezione della radiazione di Hawking, ma questo è uno speciale effetto quantistico).
#10
+10
DarenW
2010-11-17 08:20:05 UTC
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Le varie teorie - QED, GTR, elettromagnetismo classico, gravità del ciclo quantistico, ecc. - sono tutti modi diversi per descrivere la natura. La natura è quello che è; le teorie hanno tutte dei difetti. Per quanto riguarda il dire se la gravità assomiglia in qualche modo o meno all'elettromagnetismo, significa semplicemente soffiare aria calda su come pensano gli umani e non dire nulla di sostanziale sulla realtà fisica.

E se non avessimo una comprensione completa di gravità quantistica? I gravitoni sono un concetto sensato e una parte fondamentale in alcune teorie di campo unificate (o semi-unificate). Potrebbe diventare complicato perché, a differenza di altre particelle quantistiche, i gravitoni fanno parte della curvatura dello spaziotempo e delle relazioni dei coni luminosi vicini, mentre volano attraverso detto spaziotempo. Possiamo in qualche modo ignorarlo per ora. La domanda è buona e si può rispondere in termini di teoria quantistica e gravitoni. Semplicemente non sappiamo, dato lo stato attuale della conoscenza della fisica, fino a che punto possiamo spingere l'idea.

Quando le particelle cariche si attraggono o si respingono, la forza è dovuta ai fotoni virtuali. Ai fotoni piace viaggiare alla velocità universale c , ma non è necessario. Heisenberg dice così! Puoi infrangere le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto quanto vuoi, ma più devia, più breve è l'arco di tempo e più piccolo è il pezzetto di spazio in cui violate queste leggi. Per i fotoni virtuali che collegano due particelle cariche, hanno lo spazio tra le due particelle e un intervallo di tempo corrispondente a quello alla velocità della luce. Queste onde non corrono con una lunghezza d'onda, un periodo o una velocità di fase ben definiti. Questa velocità mal definita può essere più veloce di c o meno altrettanto bene. In QED, il propagatore di fotoni - la funzione d'onda che fornisce l'ampiezza di probabilità di un fotone virtuale che si connette (x1, t1) a (x2, t2) è diverso da zero ovunque - dentro e fuori i coni di luce passati e futuri, sebbene diventi illimitata in grandezza sul coni di luce.

Quindi i gravitoni, se sono così simili ai fotoni, possono esistere benissimo fuori dall'orizzonte e all'interno. Sono, in senso approssimativo, grandi quanto lo spazio tra il buco nero e qualunque cosa vi stia orbitando o cadendo. Non immaginarli come piccole palline di energia che volano dal centro del buco nero (singolarità o altro) - anche con l'indulgenza di Heisenberg, non è solo questione di piccole particelle che cercano di attraversare l'orizzonte nel modo sbagliato. Probabilmente c'è già un gravitone su entrambi i lati!

Per una risposta più soddisfacente, sospetto che ci voglia conoscere la matematica, le trasformate di Fourier, i tensori di Riemann e tutto il resto.

I campi elettromagnetici e gravitazionali dipendono dalla configurazione delle cariche / masse, non solo dalla carica / massa totale.Se il campo elettromagnetico / gravitazionale esterno di un buco nero provenisse dalle cariche / masse all'interno da qualche meccanismo FTL, è possibile inviare segnali dall'interno all'esterno spostando cariche / masse all'interno per cambiare il campo esterno.Ma in realtà non funziona.
#11
+9
Lawrence B. Crowell
2011-01-18 06:30:30 UTC
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Il principio olografico fornisce un indizio, come sottolineato da David Zaslavsky. L'elemento metrico di Schwarzschild $ g_ {tt} ~ = ~ 1 - r_0 / r $, per $ r_0 ~ = ~ 2GM / c ^ 2 $ fornisce una distanza appropriata chiamata coordinata del ritardo $$ r ^ * ~ = ~ r ~ + ~ r_0 ln [(r-r_00) / r_0] $$ che diverge $ r ^ * ~ \ rightarrow ~ - \ infty $ mentre ti avvicini all'orizzonte. Ciò significa che tutto ciò che costituisce il buco nero non viene mai visto attraversare l'orizzonte dalla prospettiva di un osservatore esterno lontano. Si osserva che l'orologio di qualsiasi cosa che cade in un buco nero rallenta fino a fermarsi e non attraversa mai l'orizzonte. Ciò significa che nulla entra o esce dal buco nero, almeno in modo classico. Quindi non c'è davvero alcun problema di gravità che fuoriesce da un buco nero, perché come osservato dall'esterno non è mai entrato nulla.

"Distanza corretta" significa prendere la lunghezza di una curva in un hyperslice spaziale, ma $ r ^ * $ non viene prodotto sulla superficie del tempo di Schwarzschild costante, quindi non è chiaro a cosa ti riferisci. Per i raggi di luce radiali, $ \ Delta t = \ pm \ Delta r ^ * $, che è rilevante per "non vedere", ma proviene da $ g_ {rr} $, non $ g_ {tt} $. "Niente entra o esce dal buco nero" è semplicemente sbagliato, sebbene fosse la vista prima della metà degli anni '60, con oggetti in caduta che rallentavano e si fermavano sulla superficie infinita del redshift. (ES: accelerazione in Minkowski; le cose ovviamente attraversano l'orizzonte senza essere viste farlo.)
Avrei dovuto dire un intervallo adeguato. La coordinata toroise indica che per vedere qualcosa dall'orizzonte si vede dal "passato infinito". Nulla può essere osservato direttamente per raggiungere effettivamente l'orizzonte degli eventi.
Ci sono prove osservative della materia che attraversa l'orizzonte dei buchi neri e semplicemente aumenta la massa BH, nei sistemi binari. Perché la tipica impronta digitale spettrale del riscaldamento delle onde d'urto in sistemi simili ma con una nana bianca come oggetto in accrescimento invece di un BH, è assente. Qualunque cosa accada al momento giusto della materia in accrescimento, attraversa l'orizzonte.
* Si osserva che l'orologio di qualsiasi cosa che cade in un buco nero rallenta fino a quasi fermarsi e non attraversa mai l'orizzonte.Ciò significa che niente entra o esce dal buco nero, almeno in modo classico. * No, questo è sbagliato.Vedi http://physics.stackexchange.com/a/146852/4552
#12
+9
dcgeorge
2013-02-14 21:34:12 UTC
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Non è necessaria alcuna via di fuga (una prospettiva leggermente diversa).

Molte belle risposte finora, ma un paio di cose devono essere menzionate. Non è chiaro dove dovrebbe essere esattamente la massa del buco nero. Dove risiede la massa? Questa è una cosa. L'altra cosa è, come si inserisce la massa / energia nel campo gravitazionale in questa immagine?

Penso (e senza dubbio sarò martellato senza pietà per questo) che la massa di un il buco nero risiede diffuso attraverso il suo campo gravitazionale esterno e da nessun'altra parte. La massa di un buco nero risiede, interamente e unicamente, nel campo gravitazionale esterno al buco. Fortunatamente per me, non sono completamente solo qui.

Il calcolo dell'energia totale del campo gravitazionale di un buco nero (o qualsiasi oggetto sferico) è stato effettuato nel 1985 dall'astrofisico di Cambridge Donald Lynden-Bell e Professore emerito J. Katz dell'Istituto di fisica di Racah. http://adsabs.harvard.edu/full/1985MNRAS.213P..21L, la loro conclusione è stata che l'energia totale nel campo è ... (rullo di tamburi qui) ... mc ^ 2 !!!

La massa totale del BH deve risiedere, completamente e solo, nell'auto-energia della curvatura dello spaziotempo attorno al foro!

Ecco un paio di citazioni dal documento: "... l'energia del campo al di fuori di un buco nero di Schwarzschild è pari a Mc ^ 2." e "... tutte queste formule fanno sì che tutta la massa del buco nero sia rappresentata dall'energia del campo al di fuori del buco."

La risposta alla tua domanda, quindi, è questa: informazioni sulla massa di un buco nero non deve sfuggire dall'interno del buco nero perché non c'è massa all'interno del buco nero. Tutta la massa è distribuita nel campo all'esterno del foro. Pertanto, nessuna informazione deve sfuggire dall'interno.

Poiché non ci sono risposte chiare presentate da altri, scelgo questa come la risposta più vicina perché suggerisce che la presenza della massa del buco nero ha compresso il tessuto dello spazio, e il tessuto compresso dello spazio fa sì che l'effetto della gravità agisca su qualsiasi altromassa vicina all'interno della sua sfera di influenza.
@GeorgeJones Grazie per il voto positivo, George, ma la presenza di un buco nero non comprime il tessuto dello spazio, lo assottiglia.Più vicino al buco, lo spazio diventa più sottile.All'orizzonte, la densità di energia del collettore stesso va a zero.Ciò implica fortemente che i buchi neri siano, letteralmente, buchi o cavità nella varietà dello spaziotempo (anche la recente teoria quantistica del Firewall supporta questa nozione).Ecco una bella illustrazione di una pagina della fisica: http://dcgeorge.com/images/TheMeaningOfMatter/ThePhysicsOfACavityInSpace.jpg
forse hai ragione quando sei vicino al buco nero, ma credo che i corpi nello spazio, come la nostra terra o il nostro sole, comprimano il tessuto dello spazio, è questa compressione che piega la luce e provoca lenti gravitazionali.E poi, come dici tu, il tessuto dello spazio si rompe quando l'enorme gravità di un buco nero colpisce questo tessuto.La grande domanda è in cosa consiste questo tessuto.Cercherò le tue immagini, grazie
guarda la dichiarazione precedente, il tuo indirizzo non è apparso?
@Wookie - Se la varietà dello spaziotempo stessa ha un contenuto energetico intrinseco e tutta la massa / energia associata al buco nero (mc ^ 2) è al di fuori del buco disperso nel campo gravitazionale, non vedo altre conclusioni.Mi dice che un buco nero è proprio questo, un buco nel collettore.Tutto quello che c'è nel buco nero è il suo campo gravitazionale.Quindi, per rispondere alla tua domanda, sì, mi sembra che non ci sia spaziotempo nel raggio di Schild.(La teoria del firewall è d'accordo, per quello che vale).
#13
+8
Gergely
2010-11-17 00:11:55 UTC
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Il buco nero "perde" informazioni, ma non è dovuto a "gravizioni, ma sotto forma di radiazione di Hawking. Ha le sue basi nella meccanica quantistica ed è un tipo di radiazione termica con velocità estremamente bassa. Ciò significa anche che il buco nero evapora lentamente, ma su una scala temporale paragonabile all'età dell'universo.

L'origine di questa radiazione può essere descritta un po 'agitando la mano come ad esempio: a causa delle fluttuazioni quantistiche, c'è la creazione di una coppia particella-antiparticella nel vuoto. Se una tale creazione di coppie avviene all'orizzonte, una delle coppie può cadere nel buco nero mentre l'altra può fuggire. Per preservare il totale energia (poiché le fluttuazioni del vuoto sono intorno a 0) con una particella che sta volando via, la sua coppia caduta deve avere un'energia negativa dal punto di vista del buco nero, quindi sta effettivamente perdendo massa. L'osservatore esterno percepisce l'intero processo come " evaporazione ".

Questa radiazione ha una distribuzione come descritto da una "temperatura", che è inversamente proporzionale alla massa del buco nero.

Potresti voler controllare http://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation e altri fonti per maggiori dettagli ...

#14
+7
leaveswater02
2015-01-03 21:09:18 UTC
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non è la gravità che trasporta le informazioni: impariamo semplicemente a conoscere il buco nero osservando gli effetti della gravità sugli oggetti vicini (come hai giustamente sottolineato, nulla sfugge a un buco nero dopo aver attraversato un orizzonte degli eventi, quindi non nulla su ciò che accade agli oggetti oltre quel punto, tranne che non vengono mai più osservati). La gravità è una forza e abbiamo bisogno che agisca da qualche parte prima di trarre conclusioni sulle sue caratteristiche dinamiche.

#15
+5
Timothy
2016-05-18 06:12:54 UTC
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Penso che la spiegazione corretta del motivo per cui un buco nero ha la gravità sia una spiegazione della meccanica quantistica, ma penso che in molte situazioni, inclusa questa, la meccanica quantistica simuli la meccanica classica, quindi spiegherò come è possibile che la meccanica classica preveda che un buco nero ha gravità. Dalla lettura di una risposta di Quora, penso che secondo la relatività generale, il campo gravitazionale esterno a un buco nero si autoalimenta e non è causato dalla materia all'interno del buco nero ed è il campo gravitazionale esterno al buco nero che rende continuamente il campo interno funziona come fa. Secondo il video di YouTube https://www.youtube.com/watch?v=vNaEBbFbvcY, non sappiamo nemmeno che la materia non scompare quando raggiunge la singolarità. Non so bene come funziona la relatività generale ma avendo appreso le leggi di conservazione, sospetto che quando un piccolo oggetto solido cade in un buco nero supermassiccio subisce un riscaldamento gravitazionale estremamente ridotto e rilascia molta meno energia della sua massa moltiplicata per $ c ^ 2 $ e come risultato del campo gravitazionale dell'oggetto, l'aumento della massa del buco nero definito dalla forza del suo campo gravitazionale aumenta quasi esattamente la massa dell'oggetto che è caduto. Sebbene questo spieghi in modo classico come sia possibile che esista un buco nero, l'universo segue davvero la meccanica quantistica, quindi potresti chiederti come i gravitoni sfuggano al buco nero.

In realtà, un buco nero isolato di qualsiasi massa, carica e momento angolare ha un campo gravitazionale immutabile, quindi non emette gravitoni tranne quelli forse a bassissima energia, inclusi quelli causati dal campo gravitazionale a lento cambiamento causato da Hawking radiazione. Penso che due buchi neri orbitanti emettano un'onda gravitazionale, quindi rilasciano gravitoni di energia superiore. Secondo la meccanica quantistica, le particelle possono funzionare come onde quindi penso che i gravitoni si creino all'esterno di entrambi i buchi neri con un'estrema incertezza nella posizione e se la funzione d'onda potesse collassare quasi esattamente a un'autofunzione dell'operatore di posizione, osserveremmo l'interferenza di ogni gravitone con se stesso, ma non so se esiste un modo per far collassare la funzione d'onda di un gravitone quasi esattamente a un'autofunzione dell'operatore di posizione come per un fotone.

Aggiorna:

A differenza di prima, ora ho forti dubbi che i fotoni esistano effettivamente, quindi forse lo stesso vale per i gravitoni. Per prima cosa ho ipotizzato che potrebbero non esistere quando ho pensato a come un cibo che riscalda a microonde può essere spiegato meglio in modo classico riscaldando attraverso la resistenza elettrica. Quindi ho iniziato a fare una domanda e poi la recensione mi ha posto la domanda L'effetto fotoelettrico può essere spiegato senza fotoni? e la sua risposta L'effetto fotoelettrico può essere spiegato senza fotoni? che l'effetto fotoelettrico può essere spiegato senza fotoni.

#16
+5
tparker
2017-01-10 23:30:46 UTC
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Penso che tutti stiano complicando eccessivamente le loro risposte.Prima di tutto, come molte persone hanno sottolineato, la radiazione gravitazionale (mediata dai gravitoni nel contesto quantomeccanico) non può sfuggire dall'interno di un buco nero.

Per quanto riguarda il modo in cui le informazioni sulla massa del buco nero "sfuggono", la risposta è diversa per i buchi neri collassati e quelli eterni.Per i buchi neri collassati, il cono di luce passato di un osservatore esterno interseca tutta la massa che finirà nel buco nero prima che attraversi l'orizzonte, in modo che l'osservatore possa "vedere" tutta la massa.Per i buchi neri eterni, un osservatore esterno può "vedere" la singolarità del buco bianco che si ottiene estendendo al massimo la metrica di Schwarzchild, che "indica" all'osservatore la massa del buco nero.

#17
+1
Roghan Arun
2020-05-17 01:23:56 UTC
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Il buco nero comunica la gravità tramite gravitoni virtuali. Tuttavia non deve essere confuso con eventuali gluoni virtuali che lasciano il buco nero. I gravitoni non possono lasciare i buchi neri più di quanto la luce possa lasciare un buco nero. Semplicemente non succede. Invece dovrebbe essere pensato come il buco nero che deforma il campo gravitazionale (o il campo elettromagnetico per comunicare la carica elettromagnetica) per mostrare all'universo che ha un campo gravitazionale. Eventuali gravitoni creati all'interno del buco nero non lasciano mai il buco nero. Invece il buco nero deforma lo spazio e qualsiasi altro campo quantistico che crea gravitoni virtuali e fotoni virtuali per comunicare la sua presenza all'universo. Il teorema di assenza di capelli dice che la carica elettrica, la massa e lo spin sono conservati in un buco nero. Per quanto riguarda la fisica, nessun'altra proprietà è conservata. Tuttavia c'è la possibilità che ci possano essere anche altre proprietà (oltre ai tre capelli - carica, massa, spin) immagazzinate sulla superficie del buco nero (non il volume).

https://en.wikipedia.org/wiki/No-hair_theorem

Dovrebbe essere pensato come campi piuttosto che come particelle poiché tutte le particelle sono eccitazioni di campi quantistici.È anche lo stesso motivo per cui si verificano le radiazioni di falco.Il buco nero disturba il campo elettromagnetico (potrebbero essere altri campi) e crea un fotone di energia negativa e un fotone di energia positiva e l'energia negativa cade nel buco nero e questo si traduce in una perdita di massa del buco nero.Anche qui nulla lascia i buchi neri e anche i campi comunicano la forza.Tutte le particelle sono solo vibrazioni del loro campo particolare.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 2.0 con cui è distribuito.
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