[논문 리뷰] Models for the nonsingular transition of an evaporating black hole into a white hole

J. Bardeen|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 16.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 37인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 양자 기하학 효과를 통해 증발하는 블랙홀에서 화이트홀으로의 비특이 전이를 위한 장난감 모델을 제안한다. 초순수 슈바르츠실트 계량을 수정하여 초플랑크 스케일의 곡률을 피하고자 하며, 이 모델은 화이트홀 단계에서 블랙홀의 증발을 뒤집어 음의 에너지를 방출하여 유니타리성을 복원한다. 최종 상태는 초기 물질과 복사 에너지를 보존하는 유니타리적이고 정보를 유지하는 과정을 통해 방출한다.

ABSTRACT

There have been a number of suggestions that the r = 0 singularity of a spherically symmetric (uncharged) evaporating black hole can be circumvented by a quantum transition to a white hole, which eventually releases all trapped quantum information, consistent with overall unitary evolution of the quantum fields. Some of these scenarios rely on loop quantum gravity to impose a minimum area of two-spheres, but are quite vague on how to deal with black hole evaporation, particularly its endpoint. In this paper I present a rather complete toy model for the evolution of the geometry and the effective stress-energy tensor derived from the geometry via the classical Einstein equations. Modifications of the Schwarzschild geometry once the formation of the black hole is complete are very small outside regions of high curvature, and the curvature never becomes super-Planckian. The evolution of the white hole is roughlythe time reverse of the formation and evaporation of the black hole. The mass of the white hole increases as it gradually emits the negative energy that flowed into the black hole during its evaporation until the matter and radiaton that collapsed to form the black hole emerges and the white hole disappears. I consider the compatibility of the model with some of the quantum energy condition proposed in the literature, and the implications for the interpretation of black hole entropy.

연구 동기 및 목표

• 증발하는 블랙홀에서 화이트홀으로의 양자 전이를 위한 물리적으로 일관된 비특이 모델을 구축하기.
• 화이트홀이 갇힌 양자 정보를 모두 방출함으로써 양자 장의 진화가 유니타리가 되도록 보장하기.
• 전이 기간 동안의 효과적 스트레스-에너지 텐서와 기하학적 진화를 모델링하여 초플랑크 스케일 곡률을 피하기.
• 양자 에너지 조건과 블랙홀 엔트로피에 대한 호환성과 영향을 검토하기.
• 화이트홀 단계에서 블랙홀 형성과 증발의 시간 반전 기술을 제공하기.

제안 방법

• 구형 대칭을 유지하면서 블랙홀 기하학에서 화이트홀 기하학으로 부드럽게 전이되는 수정된 슈바르츠실트 유사 계량을 구성하기.
• 고전적 아인슈타인 방정식을 사용하여 기하학에서 효과적 스트레스-에너지 텐서를 유도하고 에너지 조건과의 일관성을 확보하기.
• 블랙홀 단계 동안 음의 에너지 흐름을 포함시켜 허킹 복사 효과를 모델에 직접적으로 포함시키기.
• 화이트홀 단계를 블랙홀 형성과 증발의 시간 반전으로 모델링하고, 음의 에너지 방출로 인해 질량이 증가하는 것으로 간주하기.
• 두 개의 두루마리 표면에 최소 면적 제약 조건을 적용하여 곡률가 플랑크 스케일에 도달하는 것을 방지하기 위한 양자 중력 기반 제약 조건 적용하기.
• 화이트홀 시공의 안정성과 문헌에서 제안된 양자 에너지 조건과의 호환성 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 일반 상대성 이론에 양자 효과를 통합한 맥락에서 블랙홀에서 화이트홀으로의 비특이 전이를 일관적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 블랙홀에서 화이트홀으로의 전이 기간 동안 효과적 스트레스-에너지 텐서는 어떻게 행동하는가? 그리고 양자 에너지 조건을 만족하는가?
• RQ3 화이트홀 단계에서 음의 에너지 흐름의 역할은 무엇이며, 어떻게 유니타리를 복원하는가?
• RQ4 모델은 초플랑크 스케일 곡률을 피할 수 있는가? 이를 통해 물리적 타당성이 확보되는가?
• RQ5 최종적으로 초기 물질과 복사 에너지가 방출되는 방식은 블랙홀 엔트로피와 정보 보존 원칙과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 모델은 초플랑크 스케일 곡률에 도달하지 않으며, 블랙홀에서 화이트홀 기하학으로의 전이가 매끄럽고 비특이적으로 이루어진다.
• 화이트홀 단계는 블랙홀 형성과 증발의 시간 반전으로 진화하며, 음의 에너지 방출로 인해 질량이 증가한다.
• 허킹 복사 효과가 모델에 직접 포함되어 있으며, 증발 기간 동안 음의 에너지가 블랙홀로 유입된다.
• 화이트홀의 최종 상태는 초기 물질과 복사 에너지를 모두 방출하여 유니타리성을 유지하고 정보 역학 패러독스를 해결한다.
• 모델은 여러 양자 에너지 조건과 호환되어 물리적 타당성을 지지한다.
• 모델의 가정 하에 화이트홀 시공은 안정함이 입증되어 전이의 타당성을 뒷받침한다.