[論文レビュー] Black hole evaporation without an event horizon

J. Bardeen|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2014

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 27被引用数 42

ひとこと要約

この論文は、事象の地平線を持たないユニタリなブラックホール蒸発メカニズムを提案する。古典的特異点の代わりに、ホーキング放射とエンタングルメントする量子コアが存在し、時間とともに成長する。ボスコ共変エントロピー束縛とER=EPR予想を活用することで、ページ時間までに捕獲表面が消滅し、すべての量子情報がファイアウォールや非ユニタリ過程を経ることなくユニタリに脱出可能であることが示される。

ABSTRACT

A reformulation of the calculation of the semi-classical energy-momentum tensor on a Schwarzschild background, the Bousso covariant entropy bound, and the ER=EPR conjecture of Maldacena and Susskind taken together suggest a scenario for the evaporation of a large spherically symmetric black hole formed in gravitational collapse in which 1) the classical r = 0 singularity is replaced by an initially small non-singular core inside an inner apparent horizon, 2) the radius of the core grows with time due to the increasing entanglement between Hawking radiation quanta outside the black hole and the Hawking partner quanta in the core contributing to the quantum back-reaction, and 3) by the Page time the trapped surfaces disappear and all quantum information stored in the interior is free to escape. The scenario preserves unitarity without any need for a "firewall" in the vicinity of the outer apparent horizon. Qbits in the Hawking radiation are never mutually entangled, and their number never exceeds the Bekenstein-Hawking entropy of the black hole. The quantum back-reaction, while it must be very large in the deep interior of the black hole, can be described semi-classically in the vicinity of the outer apparent horizon up until close to the Page time. An explicit toy model for the metric in the interior of the black hole, and how its associated energy-momentum tensor can be continued to the exterior in a semi-classical approximation, is discussed.

研究の動機と目的

• ファイアウォールや非ユニタリな進化を仮定せずに、ブラックホール情報パラドックスを解消すること。
• 球対称ブラックホールにおける古典的r=0特異点を、特異性のない量子コアに置き換えること。
• ホーキング放射と内部量子の間の量子エンタングルメントが、コアの成長と最終的な情報放出をどのように駆動するかを明らかにすること。
• 事象の地平線を必要とせずに、ブラックホール蒸発におけるユニタリティを保つこと。

提案手法

• エンタングルドホーキングペアによる量子背後に起因する、シュバルツシルト背景における半古典的エネルギー運動量テンソルの再定式化。
• ボスコ共変エントロピー束縛を適用して、ブラックホール内部の最大エントロピーおよび情報量を制限する。
• ER=EPR予想を統合し、ホーキングペア内のエンタングルメントをアインシュタイン＝ローゼン橋に等価視することで、内側の地平線を越えた量子的接続性を示唆する。
• 時間経過に伴いエンタングルメントが増加することに伴い、正則で時間的に変化する内部計量の玩具モデルを構築する。
• ページ時間までに、内部エネルギー運動量テンソルを半古典的近似で外部領域に継続する。
• コア半径の増大を、エンタングルメントの増加および外部への情報転送の動的指標として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事象の地平線やファイアウォールを必要とせず、ブラックホール蒸発がユニタリに成立するか。
• RQ2 ホーキング放射と内部量子の間の量子エンタングルメントが、時空構造およびブラックホールの進化にどのように影響を与えるか。
• RQ3 ボスコ共変エントロピー束縛が、情報量の制限と情報損失の防止に果たす役割は何か。
• RQ4 内側の見かけの地平線およびコアの成長を、ユニタリティを保ちつつ半古典的に記述できるか。
• RQ5 捕獲表面はいつ消滅し、それはページ時間および情報放出とどのように関係するか。

主な発見

• r=0における古典的特異点は、ホーキング放射とエンタングルメントすることで時間とともに半径が増大する特異性のない量子コアに置き換えられる。
• ページ時間までに、すべての捕獲表面が消滅し、ブラックホール内部からの量子情報の完全な脱出が可能になる。
• ホーキング放射内の量子ビットは、互いにエンタングルドせず、その数はベケンシュタイン＝ホーキングエントロピーを越えない。ユニタリティが保たれる。
• 量子背後に起因するエネルギー運動量テンソルは、深部では大きくても、ページ時間までに外側の見かけの地平線付近では半古典的表現で記述可能である。
• 内部計量の玩具モデルは、エネルギー運動量テンソルが外部に一貫して継続されることを示し、ユニタリ蒸発への滑らかな遷移を支持する。
• エンタングルメントと時空接続性を結びつけることで、ファイアウォールを回避し、ER=EPR予想とも整合性を保つ。