[논문 리뷰] Firewall or smooth horizon?

Amos Ori|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 31.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 19인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀의 증발 과정 전반에 걸쳐 양자역학적 중력과 등가원리가 성립한다면, 대부분의 정보는 양자역학적 단계 동안 블랙홀 내부에 갇혀 있어 화염장 퍼즐을 피할 수 있으며, 화재장이 필요로 하지 않는다는 주장을 펼친다. 허공의 복사에 의해 정보가 빠져나가는 것이 아니라, 수축하지 않고 부드럽고 규칙적인 사건의 지평선이 유지되며, 정보는 나중에 장수하는 잔여물이나 느린 복사 방식을 통해 방출될 수 있다. 이는 화재장이 필요로 하지 않는 AMPS 역설을 해결한다.

ABSTRACT

Recently, Almheiri, Marolf, Polchinski, and Sully found that for a sufficiently old black hole (BH), the set of assumptions known as the \emph{complementarity postulates} appears to be inconsistent with the assumption of local regularity at the horizon. They concluded that the horizon of an old BH is likely to be the locus of local irregularity, a "firewall". Here I point out that if one adopts a different assumption, namely that semiclassical physics holds throughout its anticipated domain of validity, then no inconsistency seems to arise, and the horizon retains its regularity. In this alternative view-point, the vast portion of the original BH information remains trapped inside the BH throughout the semiclassical domain of evaporation, and possibly leaks out later on. This appears to be an inevitable outcome of semiclassical gravity.

연구 동기 및 목표

• 양자역학적 증발 과정 동안 허공의 복사에 의해 정보가 효율적으로 빠져나간다는 가정을 도전함으로써 AMPS가 제기한 화재장 역설을 해결하고자 한다.
• 특히 정보가 초기에 방출된다는 주장과 같은 표준 보완성 가정, 특히 정보가 조기에 방출된다는 아이디어가 양자역학적 물리법칙이 그 유효성 영역 전반에서 성립한다는 가정과 일치하지 않는다는 주장을 펼친다.
• 대부분의 정보가 블랙홀 내부에 저장되어 있다면, 부드러운 사건의 지평선이 unitarity와 정보 보존과 일치할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 작은 질량에서 지평선을 가로지르는 스피노이드 곡면의 기하학적 및 열역학적 성질을 탐색하여, 정보를 저장할 수 있는 큰 내부 부피를 보여주고자 한다.
• 정보는 블랙홀 질량이 플랑크 스케일에 도달한 후에만 방출되며, 유한 수명을 가진 잔여물이나 저주파수 입자의 천천히 방출을 통해 이루어질 수 있음을 제안하고자 한다.

제안 방법

• 양자역학적 성립 가정을 채택: 양자역학적 중력과 등가원리는 곡률이 플랑크 이하일 동안 유효하다고 가정한다.
• 정보 용량의 척도로 베켄슈타인-호킹 엔트로피 $ S = 4\pi m^2 $ 를 사용하지만, 증발 중 블랙홀의 정보 내용을 제한하지는 않는다고 주장한다.
• 작은 질량 $ m \ll M_0 $ 에서 지평선을 가로지르는 스피노이드 곡면 $ \Sigma $ 의 기하학을 분석하여, 좁은 목이지만 $ \sim M_0^3 $ 의 큰 내부 부피를 가지며, 막대한 양의 정보를 저장할 수 있음을 보여준다.
• 블랙홀 질량의 진화를 $ m(v) = c(t_0 - v)^{1/3} $ 로 모델링하며, $ t_0 \sim M_0^3 $ 이다. 이는 양자역학적 증발 단계를 묘사한다.
• 표준 '정보는 지평선에 있다'는 그림(옵션 A)과 대비하여, 옵션 B—정보는 내부에 저장된다—가 AMPS의 모순을 피함을 보여준다.
• 증발 이후 정보의 운명을 고려하여, 질량 $ m_{\text{rem}} \sim m_p $ 를 가지며 유한 수명을 가진 잔여물이 저주파수 입자를 통해 정보를 서서히 방출할 수 있다고 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자역학적 중력 이론이 그 유효 영역 전반에서 성립한다는 가정을 하고, 정보가 초기에 방출된다는 가정을 하지 않는다면 화재장 역설을 피할 수 있는가?
• RQ2 남은 질량 $ m $ 을 가진 블랙홀의 최대 정보 용량은 얼마이며, 초기 정보 용량 $ S(M_0) = 4\pi M_0^2 $ 와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 작은 질량 $ m \ll m_p $ 인 블랙홀이 여전히 정보를 저장할 수 있는 큰 내부 부피를 지닐 수 있는가? 이는 목이 좁아져도 가능한가?
• RQ4 증발 과정 동안 대부분의 정보가 블랙홀 내부에 남아 있다는 가정이 AMPS 논증의 모순을 해결하는가?
• RQ5 이 시나리오가 블랙홀 증발의 최종 상태에 대해 어떤 함의를 지니는가? 특히 잔여물 형성 또는 정보의 느린 방출에 관해 설명하라.

주요 결과

• 양자역학적 단계 동안 허공의 복사에 의해 정보가 빠져나간다는 가정은 AMPS가 보여준 바와 같이, 지평선에서 국소적 규칙성과 모순된다.
• 반면에, 양자역학적 중력 이론이 그 유효 영역 전반에서 성립한다는 가정을 한다면(곡률이 플랑크 이하일 동안), 어떤 모순도 발생하지 않으며 지평선은 여전히 부드럽다.
• 지평선을 작은 질량 $ m $ 에서 가로지르는 스피노이드 곡면의 내부 부피는 크며, $ \sim M_0^3 $ 으로 비례하며, $ m \ll m_p $ 일 때조차도 정보를 저장할 수 있다.
• 블랙홀의 정보 내용은 $ S(m) = 4\pi m^2 $ 에 의해 제한되지 않으며, 오히려 초기 엔트로피 $ S(M_0) = 4\pi M_0^2 $ 에 의해 제한되며, 이는 대부분의 정보가 내부에 남아 있음을 의미한다.
• 질량 $ m_{\text{rem}} \sim m_p $ 를 가지며 유한 수명을 가진 잔여물은 정보를 저장하고 천천히 방출할 수 있는 타당한 후보이다. 방출률은 약 $ M_0^{-2} $ 수준이다.
• 이 시나리오는 화재장을 피하고 unitarity를 유지한다. 유일한 조건은 양자역학적 이론이 플랑크 스케일까지 유효하다는 것이며, 일부 AdS/CFT 기대와는 충돌할 수 있다.