[论文解读] The black hole information paradox

Steven B. Giddings|ArXiv.org|Aug 28, 1995

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 26被引用 61

一句话总结

本文研究了黑洞信息佯谬，认为若黑洞残留物存在，则会导致带电Reissner-Nordström黑洞中出现无限多的内部量子态，进而在背景场中引发非物理的无限产生率。核心贡献在于驳斥残留物作为解决方案的可行性，主张若幺正性与局域性同时成立，则必须放弃定域性或量子力学的基础。

ABSTRACT

A concise survey of the black hole information paradox and its current status is given. A summary is also given of recent arguments against remnants. The assumptions underlying remnants, namely unitarity and causality, would imply that Reissner Nordstrom black holes have infinite internal states. These can be argued to lead to an unacceptable infinite production rate of such black holes in background fields. (To appear in the proceedings of the PASCOS symposium/Johns Hopkins Workshop, Baltimore, MD, March 22-25, 1995).

研究动机与目标

• 分析由霍金辐射导致的量子信息似乎丢失而引发的黑洞信息佯谬。
• 通过证明残留物会导致非物理的无限产生率，挑战其作为解决方案的可行性。
• 探讨在量子引力中幺正性、局域性与能量守恒之间的张力。
• 评估非局域性或量子引力中局域性被修改是否能解决该佯谬。
• 评估残留物与弯曲时空中的量子场论及有效场论约束的一致性。

提出的方法

• 使用有效场论和欧几里得路径积分方法，计算黑洞对的产生率。
• 应用Gibbons-Hawking配分函数形式，将黑洞熵与热重力的配分函数联系起来。
• 分析近视界几何的泛函积分行为，特别是在电荷与场强之比极小（QB ≪ 1）的极限下。
• 研究Reissner-Nordström黑洞中无限内部态的作用及其对真空稳定性的影响。
• 使用彭罗斯图可视化霍金辐射中的因果结构与非局域信号。
• 探讨黑洞构型中无限态简并的热力学与量子引力后果。

实验结果

研究问题

• RQ1 残留物的存在是否会导致此类物体在背景场中产生非物理的无限速率？
• RQ2 若假设残留物储存信息，幺正性与局域性能否共存？
• RQ3 带电黑洞中无限多内部态的量子引力后果是什么？
• RQ4 霍金辐射中的信息丢失是否与能量守恒一致？对有效场论有何影响？
• RQ5 量子引力中的非局域性是否能在不违反局域性或幺正性的前提下解决信息佯谬？

主要发现

• 假设残留物存在，将导致Reissner-Nordström黑洞中出现无限多的内部量子态，从而在外部场中引发非物理的无限产生率。
• 该无限产生率源于近视界几何的欧几里得路径积分，当配置的作用量为1阶量级时，即使QB极小，也会导致发散。
• 分析确认，无限态简并导致Γ = ∞ × e^{-πQ/B}，即产生率发散。
• 该结果与实验观测相矛盾，表明残留物无法作为信息佯谬的可行解决方案。
• 本文结论认为，在残留物存在的情况下，幺正性或局域性必有一者失效，从而削弱其作为解决方案的作用。
• 佯谬仍未解决，但证据表明局域性或量子力学的基础可能崩溃，而弦理论中的非局域性或为可能的解决方案。