[論文レビュー] The quantum physics of chronology protection

Matt Visser|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 21被引用数 31

ひとこと要約

この論文はスティーブン・ホーキングの時空保護仮説を概説し、因果的整合性を保つために自然が閉じた時間的曲線（CTCs）の形成を防ぐ仕組みがあると主張する。一般相対性理論と量子場理論における量子効果——特に通過可能なワームホール、ワープドライブ、その他の特異な時空構造——が、ストレssエネルギー張量の発散やエネルギー条件の破れを通じて時空の因果的整合性を保つ仕組みを提供し、時間旅行のパラドックスを防いでいる可能性を検討する。

ABSTRACT

This is a brief survey of the current status of Stephen Hawking's ``chronology protection conjecture''. That is: ``Why does nature abhor a time machine?'' I'll discuss a few examples of spacetimes containing ``time machines'' (closed causal curves), the sorts of peculiarities that arise, and the reactions of the physics community. While pointing out other possibilities, this article concentrates on the possibility of ``chronology protection''. As Stephen puts it: ``It seems that there is a Chronology Protection Agency which prevents the appearance of closed timelike curves and so makes the universe safe for historians.''

研究の動機と目的

• 閉じた時間的曲線（CTCs）が一般相対性理論および量子場理論においてなぜ問題視されるかを調査すること。
• 古典的にCTCsを許容する時空において、量子効果がそれらの形成を妨える役割を評価すること。
• 通過可能なワームホールやワープドライブなどの特異な時空幾何構造が、量子的制約のもとで時間機械としての実現可能性を評価すること。
• 曲がった時空における量子場理論を通じた時空保護の物理的妥当性を検討すること。
• 因果性を保証するためのエネルギー条件およびストレssエネルギー張量の発散の役割を明確にすること。

提案手法

• G"odelの宇宙、Van Stockum時空、KerrブラックホールなどのCTCsを含むアインシュタイン方程式の正確解を分析する。
• 曲がった時空における量子場理論を用いて、ミルナー時空のような時空における時空保護ホライズン付近のストレssエネルギー張量の発散を研究する。
• コンパクトに生成されたコーシー・ホライズンを有する時空におけるスカラー場および非自己同型場の振る舞いを検討する。
• CTCsを有する時空における量子場理論の枠組みを用いて、自己一貫性およびユニタリティをテストする。
• 時間機械の形成を防ぐためにエネルギー条件（例えば、平均的ヌルエネルギー条件）の役割を評価する。
• メトリックの揺らぎが半古典的重力理論においてバックライジョン効果を上回るようになる「信頼性ホライズン」概念の意味をレビューする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CTCsを有する時空がなぜ因果性を破壊するのか、そして量子効果がそれの形成をどのように防ぐのか。
• RQ2 ミルナー時空のような時空における時空保護ホライズンに近い場所で、量子場はどのように振る舞うのか。
• RQ3 エネルギー条件およびストレssエネルギー張量の発散が、時間機械の形成を妨える障壁としてどの程度の役割を果たすのか。
• RQ4 ノヴィコフらが提唱したように、CTCsが存在する状況下でも方程式の運動解が自己一貫した形で存在可能なのか。
• RQ5 半古典的量子重力理論において、時空保護仮説が一貫性を保つために果たす役割は何か。

主な発見

• CTCsを有する時空における量子場理論では、時空保護ホライズン付近でストレssエネルギー張量が発散し、不安定性を示唆する。
• ミルナー時空ではコーシー・ホライズンでストレssエネルギー張量が発散しており、量子効果がCTCsの形成を防ぐ可能性がある。
• 時間機械を許容する時空では平均的ヌルエネルギー条件（ANEC）が破れることがあり、これは根本的な量子的障壁を示唆する。
• 通過可能なワームホールやワープドライブでは、小さな摂動が一般にCTCsの形成を引き起こすが、量子補正がこれらの構造を不安定化させる可能性がある。
• 信頼性ホライズンの概念は、メトリックの揺らぎがバックライジョン効果を上回ることを示唆しており、半古典的重力理論がCTCsの形成より前に破綻する可能性を示唆する。
• CTCsが存在する状況下でも、自己一貫した運動方程式の解は、極めて制限された条件下でのみ存在可能であり、物理的妥当性は限定的である。