[논문 리뷰] Singularities, Firewalls, and Complementarity

Leonard Susskind|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 16.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 12인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 블랙홀 물리학에서의 화염장 퍼즐을 재해석하며, 화염장이 사건의 지평선의 붕괴에서 비롯되는 것이 아니라, 호킹 복사와의 점차 증가하는 얽힘으로 인해 블랙홀의 특이점이 지평선 쪽으로 이동함으로써 발생한다고 주장한다. 이는 페이지 시간에 충돌에 이르는 과정을 통해 정점에 이르게 된다. 주요 기여는 보편성 원리가 지평선에 적용되며, 화염장은 양자 중력 원리의 위반이 아니라 비표준 특이점의 결과임을 밝히는 것이다.

ABSTRACT

Almheiri, Marolf, Polchinski, and Sully, recently claimed that once a black hole has radiated more than half its initial entropy (the Page time), the horizon is replaced by a "firewall" at which infalling observers burn up, in apparent violation of the equivalence principle and the postulates of black hole complementarity. In this paper I review the arguments for firewalls, and give a slightly different interpretation of them. According to this interpretation the horizon has standard properties, but the singularity is non-standard. The growing entanglement of the black hole with Hawking radiation causes the singularity to migrate toward the horizon, and eventually intersect it at the page time. The resulting collision of the singularity with the horizon leads to the firewall. Complementarity applies to the horizon and not to the singular firewall. Almheiri, Marolf, Polchinski, and Sully conjecture that firewalls form much earlier then the Page time; namely at the scrambling time. I argue that there is no reason to believe this generalization, and good reason to think it is wrong. For most of this paper I will assume that the firewall argument is correct. In the last section before the conclusion I will describe reasons for having reservations.

연구 동기 및 목표

• 블랙홀 보편성 원리와 화염장 제안 간의 명백한 갈등을 해결하기 위해 화염장을 특이점 역학의 결과로 재해석함으로써, 보편성 원리가 지평선에 적용됨을 보여주기 위해.
• 화염장이 스캐러밍 시간에 형성되는 것이 아니라, 블랙홀과 호킹 복사 간의 얽힘 증가에 기반해 페이지 시간에 형성된다고 주장하기 위해.
• 화염장이 스캐러밍 시간에 형성된다는 주장에 도전하며, 이 시간 척도가 양자 상태의 전반적 일반성(전반적 일반성)을 반영하지 못한다는 점을 밝히기 위해.
• 화염장이 빠르게 블랙홀에 들어가는 관측자에게 관측 가능한지, 그리고 화염장이 존재할 경우 보편성 원리가 어떻게 적용되는지 탐구하기 위해.
• 특히 얽힘 측정에서의 비통신 공백을 고려할 때, 화염장의 대안으로서 강력한 보편성 원리의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 삼중 스핀 시스템 모델을 사용하여 호킹 복사(R), 블랙홀 내부(B), 그리고 빠르게 빠져드는 물질(A) 간의 얽힘의 구조를 분석함으로써, 얽힘의 단일성 원리를 설명함.
• 페이지 시간 원리를 적용하여 블랙홀이 복사와의 얽힘에서 최대가 되는 시점을 결정함으로써, 원래의 보편성 원리가 붕괴됨을 유도함.
• 점차 증가하는 얽힘으로 인해 특이점이 지평선 쪽으로 이동하는 과정을 모델링함으로써, 페이지 시간에 충돌에 이르게 됨.
• 진정한 지평선(고전적, 전역적)과 상대적 지평선(국소적, 동적)을 구분하며, 화염장이 상대적 지평선에서 형성된다고 주장함.
• 스캐러밍 시간이 전체 양자 상태의 일반성을 확보하지 못함을 평가함으로써, 특히 화염장 존재성과 같은 전역 관측량에 대해.
• 보우소-하로우의 강력한 보편성 원리 프레임워크를 잠재적 대안으로 고려함으로써, 서로 다른 서술이 서로 통신할 수 없으므로 모순이 되지 않음.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특이점이 지평선으로 이동하는 시간 척도는 언제이며, 어떤 물리적 메커니즘이 이 이동을 이끌고 있는가?
• RQ2 화염장이 시공간의 물리적 특성임에도 불구하고, 블랙홀에 들어가는 관측자가 지평선을 넘기 전에 이를 감지할 수 없는 이유는 무엇인가?
• RQ3 스캐러밍 시간에 화염장이 형성된다는 것은 물리적으로 타당한가, 아니면 페이지 시간이 더 정확한 형성 시점인가?
• RQ4 보우소와 하로우가 제안한 강력한 보편성 원리는 양자역학을 위반하지 않으면서도 화염장의 타당한 대안이 될 수 있는가?
• RQ5 진정한 지평선과 상대적 지평선의 구분은 화염장 형성 해석과 보편성 원리의 타당성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 화염장은 지평선의 특성은 아니며, 호킹 복사와의 얽힘 증가로 인해 내부로 이동한 특이점이 지평선과 충돌함으로써 발생한다.
• 화염장은 스캐러밍 시간이 아니라 페이지 시간에 형성되며, 이는 스캐러밍 시간이 전역 양자 관측량(예: 화염장 존재성)의 일반성을 보장하지 못하기 때문이다.
• 빠르게 블랙홀에 들어가는 관측자는 블랙홀 외부의 호킹 복사에 대해 정밀 측정을 수행하지 않는 한, 지평선을 넘기 전에 화염장을 감지할 수 없다.
• 보편성 원리는 지평선에 대해 유지되지만, 화염장은 별개의 물리적 실체로서 비표준 특이점 역학의 결과이므로 적용되지 않는다.
• 스캐러밍 시간에 조기 화염장 형성이 비논리적인 이유는 스캐러밍 시간이 소규모 하위계의 일반성을 보장할 뿐 전역 성질을 보장하지 못하기 때문이다.
• 보우소-하로우의 강력한 보편성 원리 제안은, 관측자 간에 얽힘에 대한 모순을 통신할 수 있는 실험을 구성할 수 없다면 여전히 타당한 해결책으로 남아 있다.