En realidad, la luz, de hecho, puede “iluminar” un agujero negro. Un agujero negro puede simplemente “iluminarse” a sí mismo, en cierto modo, como veremos. Es una redacción incómoda en la pregunta, pero me gusta.
Literalmente, no se puede dispersar la luz de un agujero negro de forma clásica en el marco de la relatividad general. Eso es a lo que están llegando todas las demás respuestas, hablando crudamente.
Una forma de razonar analógicamente es pensar en el espacio-tiempo alrededor de un agujero negro como el agua que corre por un desagüe en una cuenca de agua. Dado que un postulado fundamental de la relatividad especial y general es la velocidad finita y constante de la luz c, una vez que el “agua que corre por el desagüe” supera a c, como un salmón que trata de nadar río arriba durante un aguacero torrencial, el río fluye más rápido que el salmón puede nadar, y en analogía, la luz no puede escapar de la curvatura divergente alrededor de la singularidad clásica, curvatura infinita en el espacio-tiempo.
Puede efectivamente “sentir” el agujero negro observando la luz que se curva a su alrededor, minimizando su trayectoria a través del espacio-tiempo curvo como lo describe El principio de Fermat, un caso especial del principio de mínima acción. Esa es la esencia simple detrás de Gravitational Lensing, que es famosa no porque sea una forma particularmente compleja de dispersión entre la luz y un cuerpo gravitacional, incluidos los agujeros negros, sino más bien porque es muy útil en la cosmología observacional para trazar un mapa de la distribución de materia del universo observable.
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Y, en la definición general de dispersión, que todavía está dispersando, simplemente no rebota literalmente la luz directamente del agujero negro como se podría, digamos, su reflejo en un espejo de materia plateada o una onda s de un plano de fotones entrante que se dispersa Una partícula pequeña. Hablando de dispersión … mira dos agujeros negros chocando en este increíble video.
Sin embargo, siguiendo el enfoque del espacio-tiempo a la física cuántica , la luz recorrerá todos los caminos alrededor y a través del agujero negro. Bueno, eso no es del todo correcto, así que hagámoslo más preciso.
Puede formar fácilmente amplitudes de dispersión cuántica con un agujero negro y un fotón como estados de entrada y un agujero negro y un fotón como estados de salida. ¿Cómo?
Para citar a Zee, A. (2010-02-01). Teoría cuántica de campos en pocas palabras:
«En la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre nos dice que la energía puede fluctuar enormemente en un pequeño intervalo de tiempo. Según la relatividad especial, la energía se puede convertir en masa y viceversa. Con la mecánica cuántica y la relatividad especial, la energía fluctuante puede transformarse en masa, es decir, en nuevas partículas que no estaban presentes anteriormente.
De hecho, eso es exactamente lo que hizo Hawking cuando razonó sobre la producción de pares cerca de un agujero negro que genera radiación de Hawking y la paradoja de la información del agujero negro.
Creación de partículas por agujeros negros
El análisis en el documento muestra que el agujero negro actúa como un cuerpo negro, irradiando energía con una temperatura proporcional a una mezcla de potencias de las siguientes constantes fundamentales … c, la velocidad de la luz, ℏ, la constante de Planck reducida, k , La constante de Boltzmann, G la constante gravitacional. Eso significa efectivamente que la física de la relatividad especial (electromagnetismo), la física cuántica, la mecánica estadística (termodinámica) y la gravitación juegan un papel esencial en la radiación de un agujero negro.
Finalmente, la fórmula para la temperatura del agujero negro incluye M, la masa del agujero negro. Entonces, en esencia, aunque los agujeros negros son más extraños que la materia típica, no colapsada gravitacionalmente, todavía actúan como cualquier otro tipo de masa con una temperatura, es decir, irradian energía en forma de luz.
Pensemos en dispersar la luz de un agujero negro. Voy a cortar la descripción aquí por simplicidad.
Diagrama de Feynman para la producción en pares
Piense en el diagrama de Feynman anterior por un momento. Lo que tienes es un (fotón) que se divide en [un electrón] y {un positrón}, una división forzada por la conservación de la carga de acuerdo con la ecuación ~ (0) = [-1] + {+ 1}
Imagina que el fotón es el fotón entrante en tu imagen dispersa. Ahora, simule que el agujero negro absorbe el positrón de la izquierda a través del horizonte de eventos. Luego imagine que el electrón de la derecha emite un fotón, que está permitido por la ecuación ~ [- 1] = (0) + [-1]
El fotón a su vez se divide en un segundo positrón y un segundo electrón. Digamos que el segundo electrón es absorbido por el agujero negro; y, el segundo positrón aniquila al primer electrón, formando el fotón saliente, con un momento diferente que el fotón entrante, porque a pesar de que se impone la conservación del impulso en cada división, la distribución de momento entre las partículas no es fija y, de hecho, puede variar. a cualquier valor hasta el punto en que la física (contenido de partículas, reglas de conservación de carga, etc.) cambie por completo.
Por lo tanto, la dispersión se produjo de la manera más natural de la teoría cuántica de campos, con la transferencia de momento entre el fotón y el agujero negro.
Enhorabuena, acabas de dispersar la luz de un agujero negro [! ], con cierta amplitud de probabilidad dada por las integrales de contorno apropiadas en la teoría cuántica de campos que está estudiando sumando todos los diagramas relevantes de acuerdo con las reglas de Feynman.
De hecho, el punto de vista moderno es tratar los agujeros negros de manera efectiva como cualquier otro conjunto de partículas cuánticas, y quizás incluso como la partícula cuántica fundamental. Por lo tanto, la luz podría no solo ser capaz de iluminar un agujero negro, sino que una cantidad de luz podría ser realmente un agujero negro. Por supuesto, podría no serlo, también. No lo sabemos (todavía).
La siguiente conferencia de Andrew Strominger es una entretenida visión general de ese punto de vista de la física.
Archivo de videos de física ANDREW STROMINGER
Una manera de pensar en eso, sin pensarlo, es que cuando una partícula entra en un agujero negro, desde el exterior parece que está congelado en el tiempo [b] que se extiende sobre toda la cubierta que encapsula el agujero negro. Es decir, la línea del mundo de una partícula que viaja a través del espacio-tiempo cuatridimensional ahora se convierte en una esfera bidimensional sucia sin ninguna dinámica temporal, es decir, una hoja, no muy diferente matemáticamente de una superficie de Riemann sobre el plano complejo.
La naturaleza exacta de esa superficie bidimensional no es del todo conocida, pero puede tratarlo a distancia como un objeto similar a una partícula y dispersarlo de otros objetos similares a partículas, ya sean otros agujeros negros u otro oscilador armónico cuántico más tradicional como objetos. tales como fotones, electrones, positrones o estados unidos a quarks.
Ver, por ejemplo,
[0711.5012] Dispersión gravitacional de alta energía y resonancias de agujero negro
No creo que debas estar particularmente sorprendido aquí. Las ecuaciones de campo de Einstein que producen soluciones de agujero negro como la métrica de Kerr contienen la constante física c, que es una señal de que la luz desempeña un papel integral en la física. Simplemente no lo ves tan claramente hasta que miras la física a nivel cuántico.
En resumen, como vivimos en un universo mecánico cuántico, la luz puede dispersarse en los agujeros negros y los agujeros negros irradian energía en forma de luz. Es decir, un agujero negro no solo puede iluminarse con luz, sino que debe iluminarse con luz. QED
Finalmente, este Tarsier no tiene nada que ver con la respuesta o la pregunta, pero es muy lindo.
