[논문 리뷰] Black hole evaporation without an event horizon

J. Bardeen|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 16.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 27인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 사건의 지평선이 없는 통합된 블랙홀 증발 메커니즘을 제안하며, 고전적 특이점 대신 양자 핵심이 헤이킹 복사와의 양자 얽힘에 의해 성장하는 구조로 대체된다. 보우소의 보편적 엔트로피 한계와 ER=EPR 추측을 활용함으로써, 페이지 시간 이르면 포획 표면이 사라지며, 모든 양자 정보가 불화재 없이(unitarily) 탈출할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

A reformulation of the calculation of the semi-classical energy-momentum tensor on a Schwarzschild background, the Bousso covariant entropy bound, and the ER=EPR conjecture of Maldacena and Susskind taken together suggest a scenario for the evaporation of a large spherically symmetric black hole formed in gravitational collapse in which 1) the classical r = 0 singularity is replaced by an initially small non-singular core inside an inner apparent horizon, 2) the radius of the core grows with time due to the increasing entanglement between Hawking radiation quanta outside the black hole and the Hawking partner quanta in the core contributing to the quantum back-reaction, and 3) by the Page time the trapped surfaces disappear and all quantum information stored in the interior is free to escape. The scenario preserves unitarity without any need for a "firewall" in the vicinity of the outer apparent horizon. Qbits in the Hawking radiation are never mutually entangled, and their number never exceeds the Bekenstein-Hawking entropy of the black hole. The quantum back-reaction, while it must be very large in the deep interior of the black hole, can be described semi-classically in the vicinity of the outer apparent horizon up until close to the Page time. An explicit toy model for the metric in the interior of the black hole, and how its associated energy-momentum tensor can be continued to the exterior in a semi-classical approximation, is discussed.

연구 동기 및 목표

• 불화재나 비단일성 진화를 도입하지 않고 블랙홀 정보 역설을 해결하기 위해.
• 구형 대칭 블랙홀에서 고전적 r=0 특이점을 비특이적인 양자 핵심으로 대체하기 위해.
• 헤이킹 복사와 내부 양자들 사이의 양자 얽힘이 핵심 성장을 이끄는 방식과 최종 정보 방출 메커니즘을 설명하기 위해.
• 사건의 지평선이 필요 없이도 블랙홀 증발 과정에서 단일성을 유지하기 위해.

제안 방법

• 스튀르시르드 배경에서 반고전적 에너지-운동량 텐서를 재구성하여, 얽힌 헤이킹 쌍에 의한 양자 반작용을 포함시키기 위해.
• 보우소의 보편적 엔트로피 한계를 적용하여 블랙홀 내부의 최대 엔트로피와 정보량을 제약하기 위해.
• ER=EPR 추측을 통합하여 헤이킹 쌍의 얽힘을 아인슈타인-로젠 브리지로 동치시켜 내부 지평선을 관통하는 양자 연결성을 암시하기 위해.
• 시간에 따라 증가하는 얽힘에 의해 진화하는 정규적인 내부 계량을 위한 단순 모델을 구축하기 위해.
• 페이지 시간까지 반고전적 근사에서 내부 에너지-운동량 텐서를 외부 영역으로 연장하기 위해.
• 핵심 반지름의 성장을 증가하는 얽힘과 정보 외부 전달의 역동적 지표로 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사건의 지평선이나 불화재 없이도 블랙홀 증발이 단일성일 수 있는가?
• RQ2 헤이킹 복사와 내부 양자들 사이의 양자 얽힘이 시공간의 구조와 블랙홀 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 보우소의 보편적 엔트로피 한계는 정보량을 제한하고 정보 손실을 방지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 내부의 임시 지평선과 핵심 성장은 반고전적 기술로 기술될 수 있으며, 이는 여전히 단일성을 유지하는가?
• RQ5 포획 표면은 언제 사라지며, 이는 페이지 시간과 정보 방출과 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• r=0에서의 고전적 특이점은 헤이킹 복사와의 얽힘에 의해 시간이 지남에 따라 반지름이 커지는 비특이적인 양자 핵심으로 대체된다.
• 페이지 시간 이르면 모든 포획 표면이 사라지며, 이로 인해 블랙홀 내부의 모든 양자 정보가 완전히 탈출할 수 있다.
• 헤이킹 복사에 포함된 큐비트는 상호로 얽히지 않으며, 그 수는 베켄슈타인-하킹 엔트로피를 초과하지 않는다. 이는 단일성을 유지한다.
• 깊은 내부에서는 큰 양자 반작용이 발생하지만, 페이지 시간까지 외부의 임시 지평선 근처에서는 여전히 반고전적 기술로 기술 가능하다.
• 내부 계량에 대한 단순 모델은 에너지-운동량 텐서가 외부로 일관되게 연장됨을 보여주며, 단일성 증발로의 매끄러운 전이를 뒷받침한다.
• 불화재를 피하고 ER=EPR 추측과의 일관성을 유지하기 위해, 얽힘과 시공간 연결성을 연결함으로써 이 시나리오는 성립한다.