[논문 리뷰] Macroscopic superpositions and black hole unitarity

Stephen D. H. Hsu|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 03.

Black Holes and Theoretical Physics인용 수 18

한 줄 요약

논문은 블랙홀의 보존성 원리가 불꽃다운 없이 유지될 수 있음을 주장한다. 이는 헤이킹 복사의 반동에 의해 블랙홀과 그 환경의 양자 상태가 거대한 서로 다른 시공간이 중첩된 상태로 진화하기 때문이며, 이 중첩은 관찰자들이 블랙홀의 사건의 지평선에 도달하는 경우와 미래의 무한대까지 도달하는 경우가 각각 다른 분지에서 발생함으로써 주관적인 경험과 보존성 원리를 조화시킨다. 이는 전역 파동함수를 통해 이루어진다.

ABSTRACT

We discuss the black hole information problem, including the recent claim that unitarity requires a horizon firewall, emphasizing the role of decoherence and macroscopic superpositions. We consider the formation and evaporation of a large black hole as a quantum amplitude, and note that during intermediate stages (e.g., after the Page time), the amplitude is a superposition of macroscopically distinct (and decohered) spacetimes, with the black hole itself in different positions on different branches. Small but semiclassical observers (who are themselves part of the quantum amplitude) that fall into the hole on one branch will miss it entirely on other branches and instead reach future infinity. This observation can reconcile the subjective experience of an infalling observer with unitarity. We also discuss implications for the nice slice formulation of the information problem, and to complementarity.

연구 동기 및 목표

• 보존성 원리와 불꽃다운의 부재를 동시에 만족시키는 조건에서 정보 패러독스를 해결함으로써 보존성 원리가 블랙홀 증발과 호환됨을 보여주기 위해.
• semiclassic 관찰자인 앨리스가 '무사고'를 경험할 수 있는 방식으로 전역 양자 상태가 보존성 원리를 유지할 수 있는 방식을 명확히 하기 위해.
• 실제 정보 손실이 아니라 제한된 측정에 기인한 결과로 보이는 정보 손실이 진정한 정보 손실이 아니라는 것을 보여주기 위해.
• 노이즈 슬라이스 추론과 보완성 원리를 보존성 진동으로 통합하기 위해 시공간의 중첩을 인식함으로써.
• 초기 상태를 재구성할 수 있도록 블랙홀에 빠진 정보가 보존된 낮은 진폭의 분지들에서도 전역 파동함수 Ψ가 모든 정보를 포함하고 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 관측자들과 복사와 함께 블랙홀 형성과 증발을 전역 양자 상태 Ψ의 보존성 슈뢰딩거 진동으로 모델링하기 위해.
• 파동함수의 진동을 분석하여 페이지 시간 이후 블랙홀의 위치 불확실성이 복사 반동으로 인해 거대해지며, 이로 인해 분리된 분지들이 생긴다는 것을 보여주기 위해.
• 복사 반동으로 인한 환경 자유도(예: 중력파 등)와의 얽힘으로 인해 디코herence가 발생하며, 이는 시공간 분지들이 거대하게 분리됨을 의미한다는 것을 규명하기 위해.
• 분지의 중첩을 통해 한 분지에서는 관찰자가 블랙홀에 빠지지만 다른 분지에서는 블랙홀을 피하는 것으로, 전역적으로 보존성 원리가 유지됨을 보여주기 위해.
• 전역 상태를 전부 접근할 수 있는 '초관찰자'의 개념을 도입하여, 한 분지만을 보는 국소 관찰자인 앨리스와 대비시켜 보여주기 위해.
• 양자 측정 프레임워크(보어의 보완성 원리와 유사)를 적용하여 정보가 손실되지 않고 여러 분리된 분지에 분포되어 있음을 보여주기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보존성 원리가 블랙홀 증발 과정에서 불꽃다운 없이 유지될 수 있는가? 이는 등가원리 위반 없이도 가능한가?
• RQ2 앨리스와 같은 블랙홀에 빠지는 관찰자의 주관적 경험은 어떻게 전역 보존성 원리와 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ3 블랙홀 증발 과정에서 디코herence가 고전적 시공간의 구조가 어떻게 나타나는지에 있어 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 블랙홀의 사건의 지평선 뒤에 정보가 사라진 것처럼 보일 때, 어떻게 헤이킹 복사에서 정보를 회복할 수 있는가?
• RQ5 블랙홀 증발과 거대한 중첩된 시공간의 맥락에서 보완성 원리는 어떤 의미에서 실현되는가?

주요 결과

• 페이지 시간 이후 블랙홀의 위치 불확실성은 Δx ∼ M² 수준으로 증가하여, 블랙홀의 위치가 다른 곳에 있는 거대한 시공간 중첩이 발생한다.
• 복사 반동에 의한 디코herence는 블랙홀의 위치를 환경 자유도(예: 중력파 등)와 얽힘을 통해 얽히게 하며, 이로 인해 상호작용하지 않는 분지들로 파동함수가 분리된다.
• 어느 분지에서는 앨리스가 블랙홀에 빠져 복사로 변환되지만, 다른 분지에서는 그녀가 미래의 무한대까지 도달한다. 이는 그녀의 존재가 최종 상태 Ψf에 포함됨을 보장한다.
• 최종 상태 Ψf는 지수적으로 많은 낮은 진폭의 분지들을 포함하며, 이 분지들에서는 블랙홀에 빠진 정보가 보존되어 초기 상태를 재구성할 수 있도록 간섭이 가능하다.
• 전역 파동함수 Ψ는 보존성 원리에 따라 진화하며, 보존성 원리가 검증되는 것은 국소 관찰자인 앨리스가 아닌, 모든 분지를 접근할 수 있는 초관찰자에 의해 이루어진다.
• 노이즈 슬라이스 추론은 실패한다. 이는 단일한 양자역학적 시공간을 가정하기 때문이며, 실제 진동은 서로 다른 원인적 구조를 가진 여러 시공간의 중첩을 포함하고 있기 때문이다.