[论文解读] Black Hole Information Revisited

Andrew Strominger|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2017

Black Holes and Theoretical Physics被引用 7

一句话总结

本文提出，黑洞蒸发会产生无限数量的软引力子，这些软引力子与硬霍金量子相关联，而这些关联关系由超平移和超旋转守恒律所强制，从而可恢复量子纯度，使最终态整体保持幺正性。在纯4维引力中，对软模进行约化会完全退相干硬辐射，解释了观测到的热谱，同时保持幺正性。

ABSTRACT

We argue that four-dimensional black hole evaporation inevitably produces an infinite number of soft particles in addition to the thermally distributed `hard' Hawking quanta, and moreover that the soft and hard particles are highly correlated. This raises the possibility that quantum purity is restored by correlations between the hard and soft radiation, while inclusive measurements which omit the soft radiation observe the thermal Hawking spectrum. In theories whose only stable particle is the graviton, conservation laws are used to argue that such correlations are in principle sufficient for the soft gravitons to purify the hard thermal ones.

研究动机与目标

• 通过提出软引力子而非早期-晚期关联恢复量子纯度，以解决黑洞信息 paradox。
• 表明忽略软辐射的包容性测量可重现热霍金谱，而整个过程仍保持幺正性。
• 证明在纯4D引力中，超平移与超旋转守恒律强制硬态与软态之间的关联，对软模进行约化时可完全退相干硬辐射。

提出的方法

• 提出修正的S矩阵态 |Ψ_out⟩ = ∑α cα |Hα⟩|Sα⟩，其中 |Hα⟩ 为硬霍金辐射，|Sα⟩ 为确保红外有限性的软引力子云。
• 采用费德林-库利什型规范，通过将软极点附加到硬粒子上来消除S矩阵元素中的红外发散。
• 应用超平移与超旋转荷来约束软态，表明软云依赖于硬态的自旋与动量。
• 推导出作用于硬态与软态的守恒荷 Q⁺_H 与 Q⁺_S，其本征值相反，强制关联关系。
• 分析次领头项软引力子定理及其通过守恒律关联软与硬辐射的作用。
• 表明在纯4D引力中，软态由硬态唯一确定，意味着对软模进行约化时可实现完全退相干。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞蒸发中的软引力子关联是否能恢复量子纯度，即使硬辐射看似为热谱？
• RQ2 超平移与超旋转守恒律如何约束伴随硬霍金量子的软引力子云？
• RQ3 为何对软模进行约化能重现热霍金谱，尽管幺正性仍成立？
• RQ4 在纯4D引力中，软态是否能完全退相干硬辐射，以满足与观测谱一致的要求？
• RQ5 红外发散与软定理在确保黑洞蒸发中幺正性方面起什么作用？

主要发现

• 整个S矩阵态是幺正的，且硬模与软模之间存在纠缠，软态通过守恒律与硬态相关联。
• 在纯4D引力中，软引力子云由硬态的自旋与动量唯一确定，对软模进行约化时可实现完全退相干。
• 软态携带与硬态相反的超平移与超旋转荷，通过守恒荷强制关联关系。
• 霍金原始计算中的红外发散通过将软引力子附加到硬态上得以解决，使S矩阵有限。
• 忽略软模的包容性截面可重现热霍金谱，与观测一致。
• 分析表明，任何散射过程中软模都不能被忽略，否则将违反幺正性。