[논문 리뷰] Black Holes, Information Loss, and Hidden Variables

Antony Valentini|ArXiv.org|2004. 07. 06.

Complex Systems and Time Series Analysis참고 문헌 26인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 증발이 은닉 변수 이론에서 보른 규칙 확률의 편차를 유도하며, 허공복사와 얽힌 광자에서 관측 가능한 통계적 이질현상을 일으킨다고 제안한다. 주요 기여는 양자 중력에서의 정보 손실이 비평형 은닉 변수에 의해 상쇄되어 유니타리성과 초기 상태의 후행 추론이 유지됨을 보여주는 메커니즘을 제시한 것이다.

ABSTRACT

We consider black-hole evaporation from a hidden-variables perspective. It is suggested that Hawking information loss, associated with the transition from a pure to a mixed quantum state, is compensated for by the creation of deviations from Born-rule probabilities outside the event horizon. The resulting states have non-standard or 'nonequilibrium' distributions of hidden variables, with a specific observable signature - a breakdown of the sinusoidal modulation of quantum probabilities for two-state systems. Outgoing Hawking radiation is predicted to contain statistical anomalies outside the domain of the quantum formalism. Further, it is argued that even for a macroscopic black hole, if one half of an entangled EPR-pair should fall behind the event horizon, the other half will develop similar statistical anomalies. We propose a simple rule, whereby the relative entropy of the nonequilibrum (hidden-variable) distribution generated outside the horizon balances the increase in von Neumann entropy associated with the pure-to-mixed transition. It is argued that there are relationships between hidden-variable and von Neumann entropies even in non-gravitational physics. We consider the possibility of observing anomalous polarisation probabilities, in the radiation from primordial black holes, and in the atomic cascade emission of entangled photon pairs from black-hole accretion discs.

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 증발 중 정보 손실을 상쇄하는 은닉 변수를 도입함으로써 블랙홀 정보 역학 문제를 해결하기.
• 곡률이 있는 시공간에서의 양자장 이론에서 순수 상태에서 혼합 상태로의 전이가 비평형 은닉 변수 분포를 통해 유니타리성과 조화를 이룰 수 있는 방법을 설명하기.
• 허공복사와 블랙홀 순환판에서의 원자 캐스케이드 방출에서의 특정한 이질적 극화 확률이라는 관측 가능한 서명을 제안하기.
• 바르트만 엔트로피 증가와 비평형 은닉 변수의 상대 엔트로피 사이의 균형을 확립하여 정보를 유지하기.
• 초기 중력 조건에서 양자 이론을 실험적으로 검증할 가능성 탐색을 위해 기원 블랙홀이나 순환판에서 유도된 얽힌 광자를 활용하기.

제안 방법

• 은닉 변수의 평형 분포에서 유도된 양자 확률을 갖는 드 브로이-봄 유형의 은닉 변수 프레임워크를 채택하기.
• 블랙홀 증발을 내부 자유도와의 얽힘으로 인해 사건의 지평선 외부에서 비평형 은닉 변수 분포를 생성하는 과정으로 모델링하기.
• 순수 상태에서 혼합 상태로의 전이로 인한 바르트만 엔트로피 증가와 비평형 은닉 변수 분포의 상대 엔트로피를 동일시하는 규칙을 도입하기.
• 극화 확률에 대한 관측 가능한 이질현상 예측: 얽힌 광자가 편광판을 통과할 때 표준 양자역학에서 예상되는 $\cos^2\Theta$ 조절에서의 편차.
• 두 가지 물리적 시나리오에 이 프레임워크를 적용하기: 기원 블랙홀에서의 허공복사와 블랙홀 순환판에서의 얽힌 광자 방출.
• 비평형 상태가 표준 양자이론에서 允허가 허용하는 것보다 더 많은 정보를 저장할 수 있다는 주장을 뒷받침하기 위해 비켄슈타인 한계를 힌트로 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙홀 증발에서의 정보 손실이 은닉 변수 이론을 통해 유니타리성과 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ2 허공복사 또는 얽힌 광자 쌍에서 비평형 은닉 변수 분포로 인해 나타나는 관측 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ3 블랙홀 증발 동안의 엔트로피 증가가 비평형 은닉 변수 분포의 엔트로피로 어떻게 상쇄될 수 있는가?
• RQ4 비평형 은닉 변수를 사용하여 붕괴한 물질의 초기 양자 상태를 후행 추론할 수 있는가?
• RQ5 블랙홀 내부의 입자와 얽힌 광자에서 보른 규칙의 편차를 실험적으로 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 블랙홀 증발은 사건의 지평선 외부에서 비평형 은닉 변수 분포를 생성하여 양자 코herence의 손실을 상쇄한다.
• 이로 인해 극화 확률에서 통계적 이질현상이 나타나며, 특히 표준 양자역학에서 예상되는 $\cos^2\Theta$ 조절에서의 편차가 발생한다.
• macroscopic 블랙홀이라도, EPR 쌍의 한쪽이 블랙홀 안으로 빠지면 다른 한쪽도 얽힘으로 인해 유사한 통계적 이질현상을 보인다.
• 순수 상태에서 혼합 상태로의 전이로 인한 바르트만 엔트로피 증가와 비평형 은닉 변수 분포의 상대 엔트로피 사이에 정량적 균형이 제안된다.
• 이 프레임워크는 원래 붕괴한 물질의 초기 상태 정보가 원칙적으로 최종 비평형 허공복사로부터 회복될 수 있음을 시사한다.
• 관측 가능성은 기원 블랙홀에서의 허공복사와 블랙홀 순환판에서의 얽힌 광자에서 이질적 극화를 감지하는 데 있으며, 실용적 과제는 여전히 남아 있다.