[论文解读] Do Black Holes Destroy Information?

John Preskill|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Sep 16, 1992

Cosmology and Gravitation Theories被引用 79

一句话总结

本文探讨了黑洞信息佯谬，认为如果霍金辐射确实是热辐射，则在黑洞蒸发过程中量子信息将丢失——这与量子力学中的幺正性相矛盾。作者认为，这一佯谬可能标志着物理学的根本危机，需要对量子理论或广义相对论进行彻底修正，并探讨了信息保留在辐射中或存在稳定残留物等替代方案。

ABSTRACT

I review the information loss paradox that was first formulated by Hawking, and discuss possible ways of resolving it. All proposed solutions have serious drawbacks. I conclude that the information loss paradox may well presage a revolution in fundamental physics. (To appear in the proceedings of the International Symposium on Black Holes, Membranes, Wormholes, and Superstrings.)

研究动机与目标

• 分析霍金半经典的黑洞辐射计算所引发的信息丢失佯谬。
• 评估针对该佯谬的解决方案，包括信息保留在霍金辐射中以及稳定黑洞残留物的存在。
• 评估黑洞蒸发过程中量子幺正性的破坏是否意味着需要一种新的基础物理理论。
• 探索散射过程在极端黑洞上的应用，作为在不依赖完整量子引力理论的情况下探测信息保存的手段。
• 研究能够保留低能物理而允许在高能下出现相干性破坏的信息丢失现象学模型的可行性。

提出的方法

• 分析霍金辐射的半经典近似，其中忽略引力反作用，导致与初始状态无关的热辐射。
• 考虑极端黑洞的S矩阵形式，这些黑洞是稳定的且不发射辐射，以检验幺正性。
• 回顾在导子引力中使用的(1+1)维有效场论方法，该方法包含反作用，允许对粒子散射进行解析研究。
• 利用因果性和幺正性作为约束，评估信息编码于辐射中的模型的一致性。
• 考察非幺正演化（如密度矩阵演化）的含义，并批判引入普朗克尺度噪声以解释退相干的提议。
• 评估信息丢失的现象学限制，重点关注修改后的量子理论中能量守恒和局域性约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管黑洞没有‘毛发’，信息是否仍可能保留在霍金辐射中？
• RQ2 霍金计算中假设辐射为热辐射，是否足以得出信息丢失的结论？
• RQ3 经典上稳定的极端黑洞是否允许散射的幺正S矩阵描述，从而检验信息守恒？
• RQ4 能否构建一个一致的现象学理论，使信息丢失在低能下保持量子场论，而在高能下允许非幺正性？
• RQ5 由于黑洞蒸发而放弃量子力学中的幺正性，会产生哪些物理和概念上的后果？

主要发现

• 该佯谬的根源在于一个纯量子态通过黑洞蒸发演化为混合态，违反了幺正性，而幺正性是量子力学的基石。
• 霍金原始计算基于半经典引力，预测与初始状态无关的热辐射，暗示信息丢失。
• 由于因果性限制，无法从事件视界背后发出任何信号，因此出射辐射与初始状态之间缺乏关联。
• 尽管信息编码于霍金辐射中的假设仍然可行，但缺乏具体机制，尤其是在忽略反作用效应的情况下。
• 稳定黑洞残留物的存在是一种保守的解决方案，但面临强烈反对，包括无限简并度和能量守恒破坏问题。
• 在(1+1)维导子引力中对极端黑洞的散射提供了一个可处理的模型，可用于探测信息保存，但完整分析已超出半经典有效范围。