[論文レビュー] Black hole and baby universe in a thin film of 3He-A

Ted Jacobson, Tatsuhiko Koike|arXiv (Cornell University)|May 8, 2002

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、3He-Aの薄膜を用いて、移動するドメイン壁が効果的時空を形成し、ブラックホールおよびホワイトホールの事象の地平線を発生させることで、ブラックホール形成および蒸発の凝縮系アナロジーを提案している。このモデルは、ホーキングに類似した準粒子放射を示し、一時的な因果的分離を経験するが、これは情報が『ベビー宇宙』へ喪失する可能性を示唆しており、ホーキング放射が未確認であるものの、量子重力の問題を検証するための実験的実現可能な実験的プラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Condensed matter black hole analogues may provide guidance in grappling with difficult questions about the role of short distance physics in the Hawking effect. These questions bear on the very existence of Hawking radiation, the correlations it may or may not carry, the nature of black hole entropy, and the possible loss of information when a black hole evaporates. We describe a model of black hole formation and evaporation and the loss of information to a disconnected universe in a thin film of 3He-A, and we explain why the existence of Hawking radiation has not yet been demonstrated in this model. [We would like this article to be accessible to researchers in both condensed matter and gravitational physics, hence we include more than the usual amount of introductory material.]

研究の動機と目的

• 微視的物理が明確に理解された凝縮系において、ホーキング効果および情報喪失を調査すること。
• 3He-A薄膜内の移動するドメイン壁を用いて、効果的時空と地平線を形成することで、ブラックホール形成および蒸発をモデル化すること。
• この系にホーキング放射が現れるかどうか、および因果的に分離された領域（『ベビー宇宙』）へ情報が喪失するかどうかを調査すること。
• エントロピーおよびユニタリティの破綻といった基礎的量子重力問題を検証するための、明確で実験的に実現可能なアナロジーを提供すること。
• 系の短距離物理学が、ホーキング放射に必要な局所的真空状態を自然に生成するかどうかをテストすること。

提案手法

• 移動するドメイン壁が動的地平線として機能する3He-A薄膜を、相対論的有効場理論としてモデル化する。
• フェルミ粒子準粒子分散から導かれる有効計量を用いて、ブラックホールおよびホワイトホールの地平線を模擬する。
• ニュートン的時間スライスおよび共形図を用いて因果構造を分析し、地平線の形成および分離を追跡する。
• 一時的な地平線で準粒子対の生成を研究し、一方の粒子が脱出するのに対し、もう一方はエゴレギオンに閉じ込められる。
• モード変換および地平線付近の局所的基底状態の準備を適用し、ホーキングモードの起源を評価する。
• パウリの禁制およびバックレアクション効果を、ホーキング過程の終了メカニズムとしての可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真の事象の地平線が存在しないにもかかわらず、移動するドメイン壁を持つ3He-A薄膜でホーキング放射が出現する可能性はあるか？
• RQ2 系は、因果的に分離された領域（『ベビー宇宙』に類似）へ情報喪失を示すか？
• RQ3 短距離物理学および地平線における局所的真空状態が、ホーキングモードの生成にどのように影響するか？
• RQ4 移動するテクスチャの非平衡的ダイナミクスが、ホーキング過程の終了に果たす役割は何か？
• RQ5 このモデルは、ブラックホールエントロピーの起源および地平線を越えた量子もつれの性質を解明する手がかりを提供できるか？

主な発見

• ドメイン壁が3He-A薄膜内を移動することで、一時的なブラックホールおよびホワイトホールの地平線を持つ時空が実現された。
• 準粒子対が地平線で生成され、一方の粒子が脱出するのに対し、もう一方はエゴレギオンに閉じ込められ、ホーキング放射に類似した挙動を示した。
• 壁が停止した後、系は因果的分離を経験し、外部とは因果的に分離された『ベビー宇宙』領域が形成された。
• 地平線を越えて移動する準粒子が持つ情報は、外部世界へ喪失する可能性がある。これは、超光速の戻りルートが不要または想定されないためである。
• この系ではホーキング効果はまだ実験的に確認されておらず、短距離物理学が局所的真空状態を生成する役割については未解決のままである。
• モデルは、ホーキングモードの起源が局所的基底状態の準備と整合的であることを示唆しており、プランクスケールの物理学が必要な真空状態を生み出す可能性を支持する。