奇点和黑洞

沿着这些线路LED的论点LED'T HOOFT（1993年，在OIR）上假设全息原则（尽管名称是由于Susskind 1995）。 该原理要求任何球形空间区域的基本自由度的数量由与该区域相同的黑洞的Bekenstein熵给出。 全息原则是值得注意的，不仅是因为它假定了任何区域的定义，有限的自由度，而且因为这个数字与该区域周围的区域成比例，而不是体积。 这在面对所有其他已知类型的物理系统的动态的标准图片面前，无论是颗粒还是田地。 根据该图片，熵通过可以是可能的方式的数量来衡量，并且这种方式的数量随着任何空间区域的体积而增加。 相反，如果全息原则是正确的，那么任何物理系统的一个空间维度都可以在某种意义上被视为多余的：空间区域的基本“物理故事”实际上是一个可以仅讲述该区域的边界的故事（Luminet 2016）。

尽管如此，有理由对所提出的通用熵界的有效性持怀疑态度，以及相应的全息原则。 乌鲁德和沃尔德（1982年），为了响应Bekenstein的假定熵绑定，令人信服地说，令人信服的是拯救广义第二法的特设方式，即通过利用近缘效应来拯救普遍的第二法（对于该解释，看注16）。[15] Flanagan等人。 （2000年）此外，提供了强有力的论据，即普遍性的第二法的有效性与Bousso的熵绑定（广泛认为优于Bekenstein的原版），从而消除了大部分主要的历史和概念动力全息原则。

通过仪表/重力二元提供更现代版的全息原理。 这些是（猜想的）在散装时空的量子重力理论之间的二元性和生活在那个时空边界上的仪表理论。 表/重力二元性的最佳理解的例子是所谓的反Deater /保形场理论对应，最初由Maldacena（1998）发现。 测量仪/重力二元性在某种意义上实现全息原理，即一种空间尺寸是多余的，以描述引力理论。 这些二元性的一个特别有趣的特征是使用统计力学中的标准技术可以在边界理论中计算黑洞熵，并与Bekenstein熵匹配。 这已被定性和定量地理解为反de Sitter /保形场理论对应的各种设置，因此提供了黑洞熵具有统计机械支撑的证据（参见例如Harlow 2016，Hartman 2015和Wallace 2019）。

同样，所有这些问题都对自己的物理学有很大的兴趣，但是有强烈的理由相信他们的分析可以在几个关于时空性质的持续哲学讨论中揭示新的光线，它们具有明显的直接连接，特别是关于空间的维度和时空，以及与关系 - 关系主义辩论的实质性。 感兴趣的读者应该看到de haro等。 （2015）讨论全息术与衡量/重力二元的关系，以及审查提高的哲学问题，以及Castellani（2016年）的哲学讨论这些二元性提出的本体论问题。

5.4.4。 广义第二法的可能后果

普通的第二法具有深刻的哲学意义。 然而，如果曾经曾经用于证明真实深度的其他物理原则或结果，则其所有重要的后果或多或少地立即。 再次，普遍的第二法律与普通法相比，因为最近的意识到，它可以用来证明深入兴趣的几种物理结果，超越和高于主题激励全息原则。

在物理论证的旅游力量中，墙（2013A，2013B）表明，广义第二律规定了遍历虫洞，其他形式的遥远地区之间的速度超过光线，物理系统的负质量，以及封闭的时间曲线。 （请参阅时代机器和时间旅行的条目，以及visser 1996.）此外，如果要满足普遍的第二律法，那么“婴儿宇宙”最终可能因宇宙而变得不满。 然而，这种婴儿宇宙及其最终独立构成了宇宙学中目前受欢迎的“多层”情景的基本机制。

在同一工作中，墙还表明，广义的第二法具有醒目的阳性结论：“量子奇点定理”，表明，即使考虑量子效应，即使在黑洞内部仍然是高音测量不完全的宇宙模型（如目前最良好的支持的宇宙），从爆炸奇点开始）。 这直接在面对大多数物理学家的虔诚希望，尤其是对量子重力的希望理论，将从时空中陷入困境。 （参见，例如，Ashtekar和Bojowald 2006，Ashtekar等，2006年和Kiefer 2010用于沿着这些线的典型情绪，以及在规范量子重力的背景下转发以支持它们的典型论点Roiban 2006和DAS 2007在字符串理论的背景下是相同的;值得注意的是，Roiban还讨论了已知的情况，其中陈列理论不一定是震惊奇点。）

另一个醒目的普遍性的第二律的积极后果是它允许一个人在一般相对论的背景下获得能量条件。 能量条件是粗略地说，一个关系一个人需要满足物质的性质，以便试图捕捉“质量能量应该是积极的”的想法。 能量条件在一般相对性中起着中央和基本作用，因为它们是基本上每一个深度的假设，尤其是与奇点和黑洞有关的假设（Curiel 2017）。 让他们不寻常的一件事是这一事实是，一般相对论的中央和基本原则之间的独特，他们本身就不承认基于其他这样的原则的推导或证据。 至少，在墙（2010年）认为广义的第二法暗示一个人意味着一个方面，没有知道这种衍生物或证据。 墙上的论点有几个有问题的方面（Curiel 2017），但只有他能够制作一个重要的事实，一切都是显着的，表明广义的第二法可能是一个非常深刻的物理原则。 然而，一个人可以相反，参数显示，概括的第二法是偶然性的，这取决于实际存在的物质领域的种类敏感性 - 如果重要的问题，如违反能量状况，那么他的论点就会表明普遍的第二法是无效。

Bousso等人。 （2016）显示，适用于广义视野的全面二级法规的形式强烈建议，即使在违反标准能源条件时，量子场理论效应变得重要的原因在规范中的因果测地测数将聚焦和收敛。 这是显着的，因为它是关于位于所有标准奇点定理的核心和大多数关于各种视野的核心的聚焦性的主题，以及显示聚焦假设标准能量条件的所有命题。 如果该猜想是正确的，它将提供进一步的有力证据，即量子效应可能不会从通用空间中移除奇点。 奇点定理的另一个重要最近初始扩展至少半古典领域是通过量子能量不等式，或有界违规的经典能量条件。 在许多情况下，Qeis可以从底层量子域理论中得出，并在奇点定理的某些证据中取代经典能量条件; 查看Kontou和Sanders（2020）以介绍这一重要主题。

然而，在各种理论框架中积极追求许多对量子重力领域的奇异性分辨率的方法。 该分辨率通常采用一些形式的时空反弹 - 宇宙学之一，或以黑色到白色孔过渡的形式。 最近的物理文学太大而无法总结在这里; 但是，在物理背景的哲学中，筹码和何哈罗（2022）探讨了对GR奇点的各种态度及其角色在寻找量子重力中，而Thébault（2023）阐述并评估了许多方法大爆炸奇点分辨率在特定类别的量子宇宙学模型中。

5.5。 一般引力熵

那个黑洞，纯粹的引力物体，具有物理熵强烈建议，引力场本身一般可能具有熵，如Penrose（1979）假设。 实际上，有许多原因怀疑重力的热力学特性应该延伸到重力系统和结构之外，只能由黑洞提供的那些。 因为引力“电荷”（即，质量能量）仅具有一个标志（而不是电磁电荷，例如可以是正面或负符号的电磁电荷），物质的比特倾向于朝向彼此加速，但其他物质相同。 这已经表明，重力具有内置的热力学特性，因为它提供了一个目标，不变度量的时间方向：未来时间流动的特征是物质倾向于彼此加速，因此在聚集体中变得更加不均匀。 从这个角度来看，概括的第二法和一般引力熵的相应概念可能被视为引入新的时间箭头，引力。 （参见Zeh 2014，彻底的最近审查;还要及时参见热力学不对称。）

自从Gibbons and Hawking（1977）的工作以来，Bekenstein（1981），Smolin（1984），Bousso（1999A），雅各布森和Parentani（2003），以及Padmanabhan（2005），在其他之外，已知熵和温度可以归因于超空间视野而不是只是黑洞的事件范围。 这是近年来导致了几个有趣的引力熵的有趣建议，例如Clifton等人。 （2013）。 事实上，anastopoulos和萨尔维多（2012年）甚至甚至试图将熵直接归因于非宇宙学奇偶，那些与崩溃现象相关的人。 Pavón和Zimdahl（2012），以类似的精神，试图提供对未来宇宙奇异性的热力学分析，并因此通过其热力学性能表征它们。

从另一个方向来看，Penrose（1979）的时间远远不只是认为引力场本身具有广义熵。 他还提出了被称为共形曲率假设的内容，这使得熵应归因于与某种尺寸的“纯度引力”自由度成比例的引力场，其归因于均匀的熵和各向同性的引力领域。 它还表明，通过这种广义的重力熵，如果没有确定的话，时间的引力和宇宙学箭头被驱动。 这个假设还表明，某些类型的宇宙奇点，如大爆炸，本身应该归因于熵。

随后几十年的一些工作已经完成，主要是基于Goode和Wainwright（1985）和Newman（1993A，1993B），以概括Penrose的提议并使其严谨。 几乎所有这项工作都专注于保形奇点的行为（在第1.3节结束时的特征），它在自然意义上，“早期”宇宙学奇点，如大爆炸，以及各种引力自由度的行为远离这种奇点的未来。 （有一些工作，如Rudjord等，2008年，试图直接将共形曲率假设直接与黑洞熵联系起来。）这个想法是，初始宇宙奇异性，符合Penrose的共形曲率假说，具有极低的熵，从而补偿了均匀普通物质的高熵，使早期宇宙是低总熵的状态。 随着宇宙随着时间的推移而发展，并且对单独的系统（星系，星系，星系的星系等）的物质团块，普通物质的熵似乎掉落，但是，再次弥补了以巨大的引力增加而得到补偿熵，从而节省了广义的第二法。 （以及竞争重力和初始低熵之间的联系的角度，或过去的假设，参见Albert 2000，Earman 2006，Wald 2006，Callender 2010和Wallace 2010.）

这些事实提出了关于熵性质的几个基本难题作为物理量以及涉及它的不同理论之间的关系。 迄今为止，迄今为止仅归因于诸如流体和麦克斯韦领域的材料系统，归因于时空本身的简单区域？ 一般引力熵如何涉及更多标准的熵形式，以及一般引力熵本质的性质如何通知我们对标准表格的理解？ 它是否阐述了传统的兴趣主题的新光线，例如关于减少和从统计力学的热力学的题目？

6.黑洞和量子理论

如已经第5.2节和第5.3节所述，它是向一般相对性添加量子场理论，以至于明确地解决黑洞热力学特征的问题。 然而，当一个人在黑洞和奇点的混合中增加量子场理论时出现的许多其他迷人的现象，以及一般的相对性，而不是哲学问题和谜题的概念扩大和深化这面对我们。

在第6.1节中，我们详细讨论了霍克效应（通过黑洞的热辐射的预测排放）及其相关问题和难题。 特别是似乎遵循的突出症效应的预测是最多的物理学家和哲学家，所谓的信息丧失悖论：霍金辐射的排放时，黑洞的蒸发似乎违反了违规行为量子力学最基本的原则之一。 我们讨论第6.2节。 我们在第6.3节中审查了黑洞热力学提供了最佳证据，以指导我们在寻找量子重力理论中的最佳证据。

6.1。 霍金辐射

鉴于构建包含和嫁接量子力学和一般相对性的理论的臭名昭着的难度 - 一种量子重力的理论 - 它可能会令人惊讶地认为，在经典的背景上提出了一致的，严格的量子田理论相对论的时空。 （Wald 1994是主题的标准文本;雅各布森[2003年，在奥里安省]概述不太严格概述，讨论了拟议的量子重力理论的可能关系;沃尔德[2006B，在奥里安，奥里安，奥里亚人]给出了技术的概要历史整个主题的各个主题，以及在沃尔德1994年出版之后的领域的进展情况;和荷兰和沃尔德2015年提供技术上复杂的概述了最近的结果。）弯曲时空的量子场理论，然而，与标准量子场理论（在一个深刻的方面（特殊相对论的平坦Minkowski时空）不同，在一个深刻的方面中，在理论的每一个部分中划分到差异：通用相对论的时空没有与之相当的对称组。Poincaré群体特殊相对论。 相应地没有区别的真空状态，没有颗粒的自然概念。 例如，这意味着一个人不能采用来自标准量子场理论的许多熟悉的和有用的技术，并且必须注意使用大多数其他人。

人们希望这样的框架会发现它在治疗问题中的最自然的应用，在某种意义上或其他方面，时空的曲率远高于普拉克长度，因为有一些理论场所的理论理由，可以安全地在这个方面可以安全地获得忽略间隔几何形状本身的任何量子属性。 （因此，该框架通常被称为“半古典近似”或“半古典重力”。）在这静脉中，其最受欢迎和成功的应用程序一直是涉及早期宇宙和黑洞附近的粒子创造的问题。 现在，根据一般相对性，一个黑洞应该是能量，质量和辐射的完美沉没，就像它吸收一切（包括光）一样，并没有发出（包括光）。 因此，当霍金（1974年，1975年）预测时，当考虑量子效应时，这是一个普通统计热力学感应表现出色的黑洞时，应该发出静止的黑洞辐射与普通的黑体特性固定温度。 即使光不应该逃离它，它也会像闷烧的煤炭一样发光！[16]

与广义的第二法一样，从基本观点来看，霍克辐射的最令人迷人的方面之一是所知道的衍生的多重和多种性。 它们在自然地与他们采用的框架的数学严格差异以及他们假设的结构的数学特征在一起，并且几乎所有在不同的制度中都是有效的，使用不同类型的物理系统和不同的近似和理想化，基于不同类型的物理系统和不同的近似和理想化。物理原则，具有不同程度的身体展望和直观。 结果，这些不同的衍生似乎表明了霍金辐射本身的不同物理解释，既是其原产地和其特征（布卢特等人1995）。 因此，在基础上，它甚至不清楚，霍基辐射预测的物理含量是什么。 事实上，正如在普遍的第二法则的情况下，霍金辐射的一些推导似乎认为似乎与其他派生的一些假设相矛盾 - 但是如果A意思是B而不是-A意味着B，则B必须是正文的。 由于这是一种令人无法吸引人的态度，以便掌握尖叫辐射，必须发现一些其他方式可以调和相反的衍生。 同样，出于与第5.4.1节末尾的相同原因，不能在此处调用标准的蓬松，以适用于普遍证明第二法的不同证据。

因为对量子场理论本身的解释，即使在特殊相对论的平坦时期，已经如此竞争，充满了问题，并且一般地理解了（参见量子场理论的进入，可能会认为这里有甚至有机会获得掌握这些问题。 相反，人们也可能认为这种现象在这里比在普通量子场理论中如此不同的事实可能会暗示或为我们提供这么长时间感到沮丧的传统问题的新途径。

6.2。 信息丢失悖论

霍金辐射的存在具有显着的后果：作为霍金（1976）指出，近胡子（1976年）阐述，黑洞辐射意味着它失去了质量，因此会缩小违反区域定理。 （区域定理实际上违反;相反，其中一个假设是viz，即当地能量总是严格为正的。）因为这种过程没有限制，但是除了黑洞本身的总初始质量的总初始质量，最终将辐射自身完全远离 - 它蒸发。 这种预测清楚地对宇宙审查问题存在：如果蒸发的最终状态离开以前隐藏的奇点对于宇宙的其余部分，则可以出现第4节中提出的所有潜在问题。 特别是，现已承认，除非一些新的物理踢进，否则完全蒸发的黑洞违反了未来反射率的相当薄弱的因果性质（Lesourd 2018）。 这一结果概括了被称为关于蒸发黑洞的因果结构的Kodama-Wald定理的内容（参见Kodama 1979，Manchak和Weatherall 2018）; 随后，Minguzzi（2020）使用这些观察削弱了Penrose 1965年奇点定理的因果假设。

然而，在黑洞蒸发的可能性上似乎是一个看似更深入的问题，一种促进了使用量子理论的任何标准配方描述黑洞的可能性。 根据标准量子理论，封闭系统的熵永远不会改变; 这是由统计化系统的演化的性质正式捕获的，通过统一性的技术性质。 单一的演进保证，初始条件与Schrödinger方程（管理量子系统的时间演变的方程）一起解决了系统的未来状态。 同样，Schrödinger方程的反向应用将使我们从后来的状态返回原始初始状态。 换句话说，考虑到量子系统的动态演化的统一性，每次每次的各个州都包含足够的信息来解决各种状态。 因此，有一种意义在于，通过量子理论中的标准时间演变来维持状态的完整性。 （参见量子力学的条目。）

常规来表征量子演进“保留信息”的索赔来表征此功能。 如果一个人以精确的已知量子状态开始于系统，则量子理论保证了关于该系统的细节将以这样的方式发展，即人们可以在稍后推断系统的精确状态，反之亦然。 这种量子保存的细节意味着如果我们燃烧椅子，例如，原则上可以在所有传出辐射，烟雾和灰烬上执行一整套测量，并重建椅子的样子。 然而，如果我们被扔进一个黑洞，那么正统认为，由于没有头发定理（在上文第3.3节中讨论）的结果，这将是有史以来有关椅子的细节，因此无法逃到外部宇宙的细节。 如果有一段时间继续存在黑洞，这可能不是一个问题，因为可以假设在椅子中编码的信息仍然存在于活动范围内，由该区域的整体演变保存。 然而，Hawking辐射的存在告诉我们，黑洞正在发出能量，因此它会缩小，并且可能最终会完全消失，以及任何东西在此之前落后了事件地平线。 此时，关于椅子的细节将不可撤销地丢失; 因此，这种进化不能通过量子理论的标准定律来描述。 这是量子黑洞的信息丢失悖论（Hawking 1976）。[17] 虽然悖论通常是在“信息”方面制定的，但我们经常会谈到这种问题，因为这种问题是在不同系统之间的相关性，因为这是一个在悖论底部的身体上更明显的概念，并且比臭名昭着的问题要少得多“信息”的烦恼和模糊的概念。

个人物理学家采取对这个问题的态度受到其直觉的强烈影响，它必须被修改，以实现一致的量子重力理论。 空间物理学家倾向于将非标准量子演变视为单数空间的一个相当自然的后果：如果他们在奇点丢失时，人们不会期待早期的系统的所有细节。