[论文解读] Black hole evaporation without an event horizon

J. Bardeen|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2014

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 27被引用 42

一句话总结

本文提出了一种无需事件视界的统一黑洞蒸发机制，用因与霍金辐射纠缠而增长的量子核心取代经典奇点。通过利用布索协变熵界和ER=EPR猜想，该模型表明在Page时间时，所有束缚表面消失，使所有量子信息得以单位幺正地逃逸，无需引入防火墙或非幺正过程。

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.

研究动机与目标

• 在不引入防火墙或非幺正演化的情况下解决黑洞信息佯谬。
• 在球对称黑洞中，用非奇异的量子核心替代经典r=0奇点。
• 阐明霍金辐射与内部量子之间的量子纠缠如何驱动核心增长并最终释放信息。
• 在避免事件视界的同时，保持黑洞蒸发过程的幺正性。

提出的方法

• 在史瓦西背景上重新表述半经典能动张量，以纳入纠缠霍金对的量子反作用。
• 应用布索协变熵界，限制黑洞内部的最大熵和信息含量。
• 整合ER=EPR猜想，将霍金对之间的纠缠等同于爱因斯坦-罗森桥，暗示内视界处的量子连通性。
• 构建一个内部度规的简化模型，该模型保持正则性并随纠缠增加而随时间演化。
• 在半经典近似下，将内部能动张量延续至外部区域，直至Page时间。
• 利用核心半径的增长作为纠缠增加和信息向外部转移的动力学指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞蒸发是否可在无事件视界或防火墙的情况下实现幺正性？
• RQ2 霍金辐射与内部量子之间的量子纠缠如何影响时空结构与黑洞演化？
• RQ3 布索协变熵界在限制信息含量并防止信息丢失方面发挥什么作用？
• RQ4 内视界与核心增长能否在半经典框架下描述，同时保持幺正性？
• RQ5 束缚表面在何时消失，这与Page时间及信息释放有何关联？

主要发现

• r=0处的经典奇点被一个随时间增长半径的非奇异量子核心所取代，这是由于与霍金辐射的纠缠。
• 在Page时间时，所有束缚表面消失，使黑洞内部的量子信息得以完全逃逸。
• 霍金辐射中的量子比特彼此之间从不相互纠缠，其数量也从不超过贝肯斯坦-霍金熵，从而保持了幺正性。
• 尽管在深层内部量子反作用较大，但在外视界附近，其仍可在半经典框架下描述，直至Page时间。
• 内部度规的简化模型显示，能动张量可一致地延续至外部区域，支持向幺正蒸发的平滑过渡。
• 该场景通过将纠缠与时空连通性联系起来，避免了防火墙，并与ER=EPR猜想保持一致。