[论文解读] Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes

S. W. Hawking|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2014

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 8被引用 133

一句话总结

本文提出黑洞不具有事件视界，而是形成短暂的类视界，通过类似天气预报的混沌动力学，借助AdS-CFT对偶性和CPT不变性，保留幺正性，从而解决信息悖论。利用AdS-CFT对偶性和CPT不变性，文章认为信息并未丢失，而是由于混沌导致有效不可及，而非存在防火墙或残留物。

ABSTRACT

It has been suggested [1] that the resolution of the information paradox for evaporating black holes is that the holes are surrounded by firewalls, bolts of outgoing radiation that would destroy any infalling observer. Such firewalls would break the CPT invariance of quantum gravity and seem to be ruled out on other grounds. A different resolution of the paradox is proposed, namely that gravitational collapse produces apparent horizons but no event horizons behind which information is lost. This proposal is supported by ADS-CFT and is the only resolution of the paradox compatible with CPT. The collapse to form a black hole will in general be chaotic and the dual CFT on the boundary of ADS will be turbulent. Thus, like weather forecasting on Earth, information will effectively be lost, although there would be no loss of unitarity.

研究动机与目标

• 在不违反幺正性或CPT不变性的情况下解决黑洞信息悖论。
• 通过表明防火墙假设与CPT对称性矛盾且与常规能量-动量张量计算相悖，挑战防火墙假说。
• 主张在引力坍缩中，类视界——临时的、混沌的边界——取代了事件视界。
• 表明信息丢失是有效的，而非根本性的，这是由于确定性但混沌的演化所致，类似于天气预测。
• 通过AdS-CFT对偶性支持该主张，其中边界CFT描述整个时空，而不仅仅是视界之外。

提出的方法

• 分析在扩展的史瓦西背景上Unruh态中的能量-动量张量，表明其在视界处保持正则，与防火墙形成矛盾。
• 将CPT对称性应用于渐近AdS空间中时间反向的黑洞形成与蒸发过程，表明蒸发必须是形成的时间反演。
• 利用AdS-CFT对应关系论证，其对偶CFT描述了整个时空，意味着无需事件视界。
• 比较AdS中的两种边界度规：周期性识别的AdS与史瓦西-AdS，表明只有前者对相关函数有贡献。
• 将坍缩物体的内部建模为经典混沌系统，导致确定性但不可预测的辐射，类似于大气动力学。
• 应用通过混沌导致的有效信息丢失概念，其中可预测性受限于对初始条件的敏感性，而非幺正性破坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不违反CPT不变性或幺正性的情况下解决黑洞信息悖论？
• RQ2 为何防火墙与Unruh态中能量-动量张量的正则性相矛盾？
• RQ3 CPT对称性如何限制黑洞蒸发中事件视界或残留物的存在？
• RQ4 AdS-CFT对偶性在描述无事件视界的黑洞中起到何种作用？
• RQ5 由于混沌动力学，黑洞中的信息丢失在多大程度上是有效的而非根本性的？

主要发现

• 防火墙被排除，因为Unruh态中能量-动量张量在视界处保持正则，与防火墙所需的奇异辐射相矛盾。
• CPT不变性禁止残留物和防火墙同时存在，意味着黑洞蒸发在量子层面必须是幺正且时间可逆的。
• 无事件视界意味着黑洞并非光无法逃逸的区域，而是具有短暂类视界的亚稳态束缚态。
• AdS边界上的对偶CFT描述了整个时空，而非仅外部区域，意味着系统与其对偶之间不存在视界分隔。
• 坍缩物体内部的混沌动力学导致确定性但不可预测的辐射，使长期预测成为不可能——如同天气预报。
• 信息被幺正地保存，但由于混沌导致有效丢失，而非因幺正性破坏或视界形成。