黑洞带有量子软毛 | prl 论文推荐
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黑洞可能携带“软毛”：黑洞蒸发时释放信息的低能量子激发。
撰文 ，加州大学圣芭芭拉分校物理系
翻译 金庄维
APS/
霍金、佩里和斯特罗明格提出黑洞可能带有软毛。软毛是黑洞蒸发时释放信息的低能的量子激发。
四十年前，史蒂芬·霍金提出黑洞可能摧毁信息——与标准的量子物理定律不一致的结论。这个想法引发了关于“黑洞信息问题”（即使现在都没有解决）的争论。霍金（剑桥大学）、马尔科姆·佩里（剑桥大学）和安德鲁·斯特罗明格（哈佛大学）在新的研究中表示，导致信息问题的假设中有几个可能是错误的【1】。他们的结果没有完全解决这个问题，但指出了一个很有前途的研究方向，也许能带来期待已久的解决方法。
根据爱因斯坦的广义相对论，稳态黑洞由三个可观测量完全确定：质量、电荷和角动量。几乎所有掉进黑洞的信息都不能被黑洞外的观测者看到。物理学家约翰·惠勒将这个想法描述为“黑洞无毛”。
1975 年，霍金研究了黑洞附近量子物质的行为，指出黑洞其实不黑【2】。黑洞有近似的热辐射，就像热的物体向外释放热量一样（注：“近似”是指霍金辐射是量子效应，辐射机制与经典的热辐射不完全相同）。如果没有物质掉进黑洞，通过“霍金辐射”损失的能量将导致黑洞质量减少并最终蒸发。这就提出了一个问题：黑洞内部存储的信息去哪了？由于霍金辐射来自几个参数就能确定的黑洞表面，霍金认为信息会丢失【3】。
20世纪 90 年代后期，物理学的另一些进展，特别是弦论，使大多数研究者确信黑洞蒸发时掉进里面的所有信息都会被释放出来。有关于这一过程如何发生仍不明朗。但是我们可以从一个更简单的问题出发：霍金原来的观点（黑洞信息丢失）哪里错了？霍金、佩里和斯特罗明格的这篇论文提出了可能的答案。他们指出问题在于两个隐含的假设，这两个假设导致霍金得出了错误的结论。第一个假设是量子引力中的真空（能量最低的量子态）是唯一的，第二个是黑洞无毛。相反，他们指出量子理论中有无数族简并的真空，并且黑洞携带作者所谓的“软毛”：与能量极低的量子有关的毛（注：不同族真空由不同的软毛标记）。
斯特罗明格在 2014 年研究另一个问题时有了重要发现【4】。他意识到存在无数守恒定律支配引力子（引力的量子理论中的基本激发）的散射。在此后与学生合作中，斯特罗明格迅速意识到类似的结论对电磁理论也成立【5】。现在他与霍金、佩里合作，将这个发现应用到黑洞。在新的论文中，作者通过考虑存在黑洞时的电磁现象来解释他们的想法，其关键在于黑洞的毛是由新的守恒定律支配的，而这些新守恒定律是通常的电荷守恒的推广。区域中总的荷可以通过在包围该区域的一个球面上积掉电场的径向分量得到。如果没有荷进入或离开这个区域，积分值就与时间无关，即荷是守恒的。斯特罗明格的推广是基于对半径为无穷大的球面进行积分，而且径向电场的积分权重为任意函数。结果显示【5】积分仍然是守恒的，这就提供了无数新的守恒量。
这一发现与黑洞毛的联系如下。利用高斯定律，我们可以将描述新守恒荷的面积分转化为对空间整体的体积分。如果没有黑洞，守恒定律仅意味着对过去的体积分与对将来的体积分相等。然而如果黑洞存在，对将来的积分必须包括黑洞视界的贡献。
在经典的引力与电磁学中，黑洞视界对新守恒荷的贡献必须为零。但是霍金、佩里和斯特罗明格表示这与采用量子力学描述电磁理论的情况非常不同。为了理解这些差异，我们首先考虑真空态，然后增加一个光子，结果得到一个新的量子态，它的能量与光子能量相等。正如斯特罗明格指出【5】，如果取光子能量为零的极限（也就是“软”光子），那么由于新的量子态能量实质上与原来的真空态一样，它被称为新真空。通过作用一个算符，第一个真空转化为第二个真空，而这个算符就是新守恒荷的量子描述。
作者的工作显示将同样的算符作用到黑洞视界上相当于增加一个能量为零的光子。这些光子组成了他们所谓的黑洞上的“软毛”。由于新的荷有无穷多个，黑洞可以携带的软毛也有无数根。进一步地，他们证明了带荷粒子掉进黑洞时会激发一些软毛。新荷的严格守恒暗示着黑洞蒸发时视界上有关毛的信息必须在霍金辐射中被释放出来（见图）。
值得注意的是，这篇论文并没有解决黑洞信息问题。首先，必须对引力进行同样的分析，而不仅是电磁场。作者现在正在这个方向上努力，初步的计算显示纯引力的情况是类似的。更重要的是，他们提出的软毛也许并不能捕获掉进黑洞的所有信息。由于我们仍不清楚是否所有的信息都能被转化成软毛，靠它本身可能难以解释黑洞蒸发时所有的信息如何恢复。然而，沿着这项工作指出的道路，进一步的研究完全有可能发现更多这类的毛，并且最终解决黑洞信息问题。
Thisresearch is published in Physical Review Letters.
这项研究发表于物理评论快报。
参考文献
[1]S. W. Hawking, M. J. Perry, and A. Strominger, “Soft Hair on Black Holes,” .
[2]S. W. Hawking, “Particle Creation by Black Holes,” .
[3]S. W. Hawking, “Breakdown of Predictability in Gravitational Collapse,” .
[4]A. Strominger, “On BMS Invariance of Gravitational Scattering,” .
[5]T. He, P. Mitra, A. P. Porfyriadis, and A. Strominger, “New Symmetries ofMassless QED,” .
关于作者
Gary T. Horowitz是加州大学圣芭芭拉分校的物理学杰出教授。他是个理论物理学家，研究量子引力与弦论中的引力。Horowitz教授是美国物理学会成员，也是美国国家科学院和美国人文与科学院成员。他现任国际广义相对论与引力学会主席。2009年被美国物理学会评为杰出审稿人。更多信息请关注。
原文链接：http://physics.aps.org/articles/v9/62
论文信息：
【题目】Soft Hair on Black Holes
【作者】Stephen W. Hawking, Malcolm J. Perry, and Andrew Strominger
【刊期】Phys. Rev. Lett. 116, 231301
【日期】 6 June 2016
【doi】
【摘要】It has recently been shown that Bondi–van der Burg–Metzner–Sachs supertranslation symmetries imply an infinite number of conservation laws for all gravitational theories in asymptotically Minkowskian spacetimes. These laws require black holes to carry a large amount of soft (i.e., zero-energy) supertranslation hair. The presence of a Maxwell field similarly implies soft electric hair. This Letter gives an explicit description of soft hair in terms of soft gravitons or photons on the black hole horizon, and shows that complete information about their quantum state is stored on a holographic plate at the future boundary of the horizon. Charge conservation is used to give an infinite number of exact relations between the evaporation products of black holes which have different soft hair but are otherwise identical. It is further argued that soft hair which is spatially localized to much less than a Planck length cannot be excited in a physically realizable process, giving an effective number of soft degrees of freedom proportional to the horizon area in Planck units.
【链接】http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.231301
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