[論文レビュー] A Firewall Argument from the Swampland

Himanshu Chaudhary, Chethan Krishnan|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、チョプティクの研究にインspiredされた球対称で質量のないスカラー場モデルを用いて、重力的収縮の過程で超プランクスケールのスカラー場の変動が生じるかどうかを調査する。その結果、超臨界収縮ではこのような大規模な場の変動が一般に発生するが、それらは常に見かけの事象の地平線の背後に隠されており、有効場理論（EFT）の破綻から守るために、大規模な場の変動を事象の地平線内で閉じ込める火炎壁に類似したメカニズムが存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

A classical solution where the (scalar) field value moves by an ${\cal O}(1)$ range in Planck units is believed to signal the breakdown of Effective Field Theory (EFT). One heuristic argument for this is that such a field will have enough energy to be inside its own Schwarzschild radius, and will result in collapse. In this paper, we consider an inverse problem: what kind of field ranges arise during the gravitational collapse of a classical field? Despite the fact that collapse has been studied for almost a hundred years, most of the discussion is phrased in terms of fluid stress tensors, and not fields. An exception is the scalar collapse made famous by Choptuik. We re-consider Choptuik-like systems, but with the emphasis now on the evolution of the scalar. We give strong evidence that generic spherically symmetric collapse of a massless scalar field leads to super-Planckian field movement. But we also note that in every such supercritical collapse scenario, the large field range is hidden behind an apparent horizon. We also discuss how the familiar perfect fluid models for collapse like Oppenheimer-Snyder and Vaidya should be viewed in light of our results.

研究の動機と目的

• 超プランクスケールのスカラー場の変動が重力的収縮の過程で生じるかどうかを調査し、このような変動が常に有効場理論（EFT）の破綻を示唆するという仮定に挑戦すること。
• 流体近似ではなくスカラー場の時間発展に注目することで、特にチョプティクに類似した系を含む古典的収縮シナリオを再分析すること。
• 見かけの事象の地平線が外部観測者から大規模な場の変動を遮断する役割を果たす仕組みを明確にし、観測可能な物理におけるEFTの有効性を保つこと。
• 場の理論的収縮ダイナミクスの観点から、標準的な流体ベースの収縮モデル（例：オッペンハイマー＝スナイダー、バイドヤ）を再解釈すること。

提案手法

• 数値相対論的手法を用いて、スカラー場の時間発展に注目した球対称で質量のないスカラー場の収縮を分析する。流体のストレステンソルではなく、スカラー場そのものの進化に焦点を当てる。
• チョプティクの臨界収縮の枠組みをスカラー場に適用し、散乱とブラックホール形成の境界を特定する。
• 収縮過程におけるスカラー場の変動範囲をプランク単位で追跡し、特に事象の地平線が形成される超臨界領域に注目する。
• 見かけの事象の地平線の形成が、超プランクスケールの場の変動領域を外部観測者から分離する重要な特徴であることを同定する。
• 場の理論的収縮ダイナミクスと標準的な流体モデル（例：オッペンハイマー＝スナイダー、バイドヤ）を比較し、場の理論的挙動と整合するかどうかを評価する。
• 幾何的および動的基準を用いて、場の変動範囲がプランク単位でO(1)を超える状況を特定し、その変動が因果的にアクセス可能かどうかを判断する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的スカラー場の重力的収縮の過程で、超プランクスケールのスカラー場の変動が生じ得るか？
• RQ2 収縮過程でスカラー場がプランク単位でO(1)を超える条件は何か？ その挙動は一般に成立するか？
• RQ3 このような大規模な場の変動は観測可能か、それとも超臨界収縮において見かけの事象の地平線の背後に隠されているか？
• RQ4 標準的な流体ベースの収縮モデル（例：オッペンハイマー＝スナイダー）は、場の理論的収縮と比較して、場の変動範囲の進化においてどのように異なるか？
• RQ5 見かけの事象の地平線が外部観測者から大規模な場の変動を遮断する役割を果たす仕組みは何か？ そしてそれはスワームランド・プログラムとどのように関係するか？

主な発見

• 質量のないスカラー場の一般な球対称収縮は、超臨界領域において超プランクスケールの場の変動を引き起こす。
• 超プランクスケールの場の変動が生じるすべての事例において、大規模な場の変動は見かけの事象の地平線の背後に隠されており、外部観測者から因果的に分離されている。
• 見かけの事象の地平線の形成と大規模な場の変動の開始が一致しており、自然な火炎壁に類似したメカニズムが存在する可能性を示唆している。
• オッペンハイマー＝スナイダーおよびバイドヤのような標準的な流体モデルは、場の理論的視点から再解釈すると、収縮過程におけるスカラー場の時間発展の全ダイナミクスを捉えていない。
• このような変動が常に事象の地平線の背後に隠されている限り、スワームランド・プログラムによる超プランクスケールの場の変動の禁止は回避可能であるという考えを支持する。
• 本稿は、もしそのような変動が常に事象の地平線の背後に隠されていれば、有効場理論（EFT）が破綻する兆候と見なされる場の変動範囲に対しても、EFTが依然として有効である理由を場の理論的根拠で提示している。