[论文解读] No Firewalls in Holographic Space-Time or Matrix Theory

T. Banks, Willy Fischler|arXiv (Cornell University)|May 16, 2013

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 13被引用 12

一句话总结

本文主张，黑洞视界处的防火墙——即高能粒子态——在全息时空（HST）或矩阵理论中并不存在，这两种理论是量子引力的框架。通过HST和矩阵理论的形式体系，作者表明，未被量子有效场论（QUEFT）捕捉到的低能自由度阻止了防火墙的形成，从而通过证明在远短于光穿越时间的时标内，粒子物理仍保持微扰且幺正，解决了防火墙佯谬。

ABSTRACT

We use the formalisms of Holographic Space-time (HST) and Matrix Theory[11] to investigate the claim of [1] that old black holes contain a firewall, i.e. an in-falling detector encounters highly excited states at a time much shorter than the light crossing time of the Schwarzschild radius. In both formalisms there is no dramatic change in particle physics inside the horizon until a time of order the Schwarzschild radius. The Matrix Theory formalism has been shown to give rise to an S-matrix, which coincides with effective supergravity for an infinite number of low energy amplitudes. We conclude that the firewall results from an inappropriate use of quantum effective field theory to describe fine details of localized events near a black hole horizon. In both HST and Matrix Theory, the real quantum gravity Hilbert space in a localized region contains many low energy degrees of freedom that are not captured in QU(antum) E(ffective) F(ield) T(heory) and omits many of the high energy DOF in QUEFT.

研究动机与目标

• 挑战旧黑洞包含防火墙的主张，该主张源于霍金辐射中纠缠的单态性。
• 证明防火墙佯谬源于将量子有效场论（QUEFT）错误地应用于黑洞视界附近的精细量子引力效应。
• 表明全息时空（HST）和矩阵理论均能提供无防火墙的一致且幺正的黑洞描述。
• 论证QUEFT无法捕捉解决信息佯谬所必需的关键低能自由度（视界自由度）。
• 确立无防火墙现象得到多个独立且具有明确S矩阵与幺正性的量子引力框架的支持。

提出的方法

• 采用全息时空（HST）形式体系，该体系为加速观察者分配不同的哈密顿量，并包含QUEFT中未包含的非局域视界自由度（DOF）。
• 在高度超对称的M理论紧化中使用矩阵理论，将黑洞建模为D0-膜的束缚态，其S矩阵显式幺正。
• 分析矩阵理论中的粒子动力学，表明入射粒子仅在远短于光穿越时间的时标内与黑洞组分发生微扰相互作用。
• 证明在大N极限下，接近黑洞的粒子块与其组分达到热平衡，避免高能散射。
• 比较HST与矩阵理论中加速观察者的性质，表明纠缠与温度（盎鲁效应）自然出现，无需防火墙。
• 确立矩阵理论中的S矩阵在低能下重现有效超引力，验证其作为一致量子引力框架的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 防火墙佯谬是否源于将量子有效场论应用于黑洞视界时的根本性错误？
• RQ2 能否在独立的量子引力框架（如HST与矩阵理论）中证明防火墙的不存在？
• RQ3 非QUEFT自由度——特别是视界自由度——在解决黑洞信息佯谬中起什么作用？
• RQ4 HST与矩阵理论中的加速观察者如何在无防火墙的情况下体验纠缠与温度？
• RQ5 HST与矩阵理论中的低能自由度在何种程度上能解释黑洞熵，而QUEFT无法做到？

主要发现

• 在全息时空与矩阵理论中，粒子物理在视界内部直到约史瓦西半径量级的时间内均无剧烈变化，与防火墙主张相矛盾。
• 真正的量子引力希尔伯特空间包含大量未被量子有效场论（QUEFT）捕捉到的低能自由度，而QUEFT遗漏了关键的高能自由度。
• 矩阵理论重现了低能有效超引力的正确S矩阵，证实其作为量子引力框架的一致性。
• 在矩阵理论中，接近黑洞的粒子在远短于光穿越时间的时标内与D0-膜组分达到热平衡，不会形成防火墙。
• 光Front矩阵理论中的真空是平凡的，意味着真空纠缠——AMPS论证的核心——不可能是该形式体系的特征，从而动摇了防火墙的前提。
• QUEFT中使用的拉长视界截断模型是一种粗粒化的热力学描述，对本应指示防火墙的热力学可忽略自由度不敏感，表明QUEFT不足以描述精细动力学。