2024-03-17(On the non-perturbative bulk Hilbert space of JT gravity I)

用来理解火墙假说的一个想法是在一个双边黑洞(也就是永恒黑洞)里考虑一个碰撞问题:我们可以认为两个边界是被一个虫洞联通起来,来自两个边界的粒子会在虫洞中发生碰撞。这个碰撞可能是危险的,也可能是温和的。如果是危险的,就可以认为黑洞有火墙。
当虫洞的长度是随时间增加的话,会对进入其中的能量产生红移效应,所以碰撞也是低能温和的。
当虫洞的长度是随时间减小的话,相反地,会对进入其中的能量产生蓝移,导致一个高能危险碰撞。

所以我们可以通过计算长度算符的期望值\langle\Psi_{BH}|\hat{\ell}|\Psi_{BH}\rangle
来判断火墙是否存在。问题的难点是如何定义黑洞的量子态,还有长度算符?当然在经典层面上,我们可以直接计算虫洞长度,会发现它是随时间增加的。这也启发了复杂度的概念:虽然系统达到了热力学平衡,但是随时间增长的虫洞长度对应了系统量子复杂度的增加。

现在我们要考虑非微扰效应对期望值的贡献,更具体是可考虑higher genus 虫洞的贡献。当虫洞的genus 不为0的时候,就有多个通道来联通两个边界,也就意味着长度算符的意义要发生改变。

可以类比双缝干涉实验。higher genus的情况可以类比打开了多个缝,这样不同的path 要发生相干叠加,从而得到了干涉条纹,即量子化,这意味我们在屏幕上记录的数据其实是离散化的,也就是说我们可以用一组离散的基来描述实验结果。而在只开一个缝的时候,我们没有条纹,所以需要一个连续的基来描述结果。

在JT引力里面的计算情况和这个很类似。当只考虑genus为0的时空的时候,系统的能谱是连续的
\langle\Psi_{BH}|\hat{\ell}|\Psi_{BH}\rangle=\int dE dE'\langle \Psi_{BH}|E\rangle\langle E|\hat{\ell}|E'\rangle \langle E'|\Psi_{BH}\rangle

但是当我们把所有higher genus的贡献都加进来的时候,能谱就变成离散的了,而且这个能谱很接近一个随机矩阵的能谱。

但是从数学是来讲,这些离散的能谱并不能构成一组完备的基,真正的完备基是连续能谱。有些本征值被去掉了,这些去掉的本征值就对应了null state。在双缝干涉的类比里,这些null state就是相干抵消的态。

因为长度算符在连续能谱的基下是良好的定义的,在离散能谱下就不是好定义的了,一个原因是它的本征态已经不存在了。因为它的本征态理论上来说需要在连续能谱态的线性组合。由于有些态被去掉了,剩下的离散谱是不足以构成长度算符的本征态的。 所以我们只能重新定义长度算符。
我们可以反过来想这个问题,长度算符的本征态在连续能谱下是可以定义的,我们可以继续使用他们来作为一组基,只不过它现在是一组overcomplete的基,正交归一条件已经不满足了(因为正交归一条件是在连续谱中定义的,在离散谱下就不再满足)。一个简单的定义长度算符的办法就是
\hat{l}=\int dl l|l\rangle\langle l|
可以理解为,我们取了一个对角的近似,也就是只考虑对角元。

在这些假设下,文章计算了长度算符的期望值,发现火墙存在的概率几乎是1/2。

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