[論文レビュー] The Information Problem in Black Hole Evaporation: Old and Recent Results

Jorge G. Russo|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2005

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 15被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、半古典的重力が非ユニタリなブラックホール蒸発を予測し、量子力学を破るというブラックホール情報パラドックスをレビューしている。ユニタリティは、非自明なものを含むすべての時空トポロジーの和をとることによって回復されると提唱されており、量子重力効果がホーキング放射に情報を取り込むことで、ユニタリティとブラックホール蒸発の調和が非摂動的S行列フレームワークによって実現される。

ABSTRACT

The formation and evaporation of a black hole can be viewed as a scattering process in Quantum Gravity. Semiclassical arguments indicate that the process should be non-unitary, and that all the information of the original quantum state forming the black hole should be lost after the black hole has completely evaporated, except for its mass, charge and angular momentum. This would imply a violation of basic principles of quantum mechanics. We review some proposed resolutions to the problem, including developments in string theory and a recent proposal by Hawking. We also suggest a novel approach which makes use of some ingredients of earlier proposals. [Based on Talks given at ERE2004 "Beyond General Relativity", Miraflores de la Sierra, Madrid (Sept 2004), and at CERN (Oct 2004)].

研究の動機と目的

• 半古典的重力におけるブラックホール蒸発と量子力学のユニタリティとの間の矛盾を解消すること。
• ブラックホール蒸発に伴う顕著な情報損失にもかかわらず、量子重力におけるS行列がユニタリのままであるかどうかを検討すること。
• 特に非自明な時空トポロジーを含む量子重力効果が、ブラックホール過程におけるユニタリティをどのように回復させるかを調査すること。
• 主要なホーキング放射発生前における初期量子状態の熱化に寄与するソフト放射とミクロ状態の平均化の役割を調査すること。
• 未解決のボリューム-境界符号化に関する疑問にもかかわらず、AdS/CFT対応がユニタリな量子重力の証拠として妥当かどうかを評価すること。

提案手法

• S行列形式を用いて、量子重力におけるブラックホールの形成と蒸発を散乱過程として分析する。
• S行列におけるユニタリティの回復のため、自明でないものを含むすべての時空トポロジーの和を適用する。
• フェルミオン図において、吸収前後での放射のタイミングが運動量統合によって曖昧になるループ補正を検討する。
• ストリング理論の計算を用いて、質量ゼロのモードからの放射スペクトルが、ミクロ状態の平均化によって効果的に置き換えられるかどうかを検証する。
• エネルギーが (mG)⁻¹ より小さいソフト放射が、主要なホーキング放射発生以前に初期状態を熱化する役割を果たす可能性を検討する。
• ボリュームの重力物理学がコンformal field theory（CFT）にどのように符号化されるかに注目し、AdS/CFT対応のユニタリティに及ぼす影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホール蒸発が混合状態を生じると見なされる場合、量子重力におけるS行列がユニタリのままでいられるか？
• RQ2 非自明な時空トポロジーは、ブラックホール散乱過程におけるユニタリティの回復にどのように寄与するか？
• RQ3 エネルギーが ~ (mG)⁻¹ のソフトモードは、顕著なホーキング放射発生以前に初期量子状態をどの程度熱化できるか？
• RQ4 AdS/CFT対応は、ボリューム内のブラックホール物理学が境界CFTに符号化されるという点で、情報パラドックスを支持するか、あるいは解決しないか？
• RQ5 木レベルの放射順序が曖昧な場合でも、ループ補正を含むフェルミオン図の和からホーキング放射の熱的スペクトルが出現するか？

主な発見

• AdS/CFT対応は、ユニタリなCFTとブラックホールを含む重力理論を等価に結ぶことから、ユニタリな量子重力の強力な証拠を提供する。
• S行列におけるユニタリティは、古典的にブラックホール形成が予想される場合でも、自明な寄与を含むすべての時空トポロジーの和をとることによってのみ回復可能である。
• フェルミオン図におけるループ補正により、トポロジーのみでは放射が形成前か後かを特定できず、運動量統合によってすべてのエネルギースケールが混合される。
• エネルギーが (mG)⁻¹ より小さいソフトモードの放射は、初期状態の熱化に十分であり、ミクロ状態の平均化を通じて熱的スペクトルの出現を可能にする。
• ホーキング放射の熱的スペクトルは、木レベルではなく、強力な重力効果とループ補正を完全に再結合した後でのみ出現する。
• 有効な熱的スペクトルはミクロ状態の平均化によって近似可能であり、個々のプロセスに顕著な非ユニタリティが見られるにもかかわらず、完全なS行列がユニタリであることを示唆する。