[論文レビュー] Do Black Holes Destroy Information?

John Preskill|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Sep 16, 1992

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 79

ひとこと要約

この論文は、ホーキング放射が真に熱的である場合、量子情報がブラックホールの蒸発中に消失する可能性があるというブラックホール情報パラドックスを検討している。これは、量子力学におけるユニタリティの原則に反する。著者は、このパラドックスが物理学に根本的な危機をもたらす可能性があり、量子理論または一般相対性理論の根本的見直しが必要であると主張する。また、放射線に情報が保持される、あるいは安定した残渣が存在するといった代替案を検討している。

ABSTRACT

I review the information loss paradox that was first formulated by Hawking, and discuss possible ways of resolving it. All proposed solutions have serious drawbacks. I conclude that the information loss paradox may well presage a revolution in fundamental physics. (To appear in the proceedings of the International Symposium on Black Holes, Membranes, Wormholes, and Superstrings.)

研究の動機と目的

• ホーキングの半古典的計算によるブラックホール放射に起因する情報消失パラドックスを分析すること。
• 情報がホーキング放射に保持される、および安定したブラックホール残渣の存在といった、パラドックスの解決策を評価すること。
• ブラックホール蒸発における量子ユニタリティの破綻が、物理学の新しい基本理論の必要性を示唆するかどうかを評価すること。
• 完全な量子重力理論を必要とせずに、情報保存の仕組みを調べるための極端なブラックホールにおける散乱過程を探索すること。
• 低エネルギー物理を保ちつつ、高エネルギーでコherently破壊を許容するような、情報消失の物性的モデルの妥当性を調査すること。

提案手法

• 重力の反作用を無視したホーキング放射の半古典的近似を分析し、初期状態に依存しない熱的放射を導く。
• 放射を放出しない安定な極端ブラックホールを対象としたS行列形式を用い、ユニタリティを検証する。
• バックレアクションを含む(1+1)次元の有効場理論的手法を用いたドリトン重力理論の検討により、粒子散乱の解析的考察を可能にする。
• 情報が放出放射に符号化されるモデルの整合性を、因果律とユニタリティを制約条件として評価する。
• 非ユニタリな時間発展、特に密度行列の時間発展の影響を検討し、デコherenceを説明するためにプランクスケールのノイズを導入する提案を批判的に検討する。
• 情報消失の物性的限界を評価し、修正された量子理論におけるエネルギー保存則と局所性の制約に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホールに『ヘア』が存在しないにもかかわらず、情報がホーキング放射に保存可能かどうか？
• RQ2 ホーキングの計算における熱的放射の仮定が、情報消失を結論づけるのに十分かどうか？
• RQ3 古典的に安定な極端ブラックホールは、散乱のユニタリS行列記述を可能にし、情報保存を検証可能かどうか？
• RQ4 低エネルギー量子場の理論を保ちつつ、高エネルギーで非ユニタリ性を許容するような、一貫性のある情報消失の物性的理論を構築可能かどうか？
• RQ5 ブラックホール蒸発による量子力学におけるユニタリティの放棄が、物理的および概念的におよぼす影響は何か？

主な発見

• パラドックスは、純粋な量子状態がブラックホール蒸発によって混合状態に進化することにより生じ、これは量子力学の基盤たるユニタリティに反する。
• 半古典的重力に基づくホーキングの元来の計算では、初期状態に依存しない熱的放射を予測し、情報消失を示唆する。
• 事象の地平線の背後から信号が脱出できないため、因果律によって、放出放射と初期状態との間の相関が強制的に排除される。
• 情報がホーキング放射に符号化されるという仮説は依然として妥当であるが、特にバックレアクション効果が欠如する状況では、具体的なメカニズムが欠如している。
• 安定なブラックホール残渣の存在は、保守的な解決策ではあるが、無限大の degeneracy やエネルギー保存則の違反といった強い反論に直面している。
• ドリトン重力理論における(1+1)次元の極端ブラックホールに対する散乱は、情報保存の探査に適したモデルを提供するが、完全な解析は半古典的有効性の範囲を超える。