[논문 리뷰] The generalized second law forbids singularity resolution, viable baby universes, traversable wormholes, warp drives, time machines, and negative mass objects

Aron C. Wall|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 26.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 일반화된 제2법칙을 사용하여 시공간 특이점의 해소가 불가능하다는 것을 증명함으로써, 타당한 유생 우주, 통과 가능한 웜구멍, 워프 드라이브, 시간 기계, 음의 질량 물체를 배제한다. 양자 영역으로의 붕괴 표면 개념을 확장함으로써, 일반화된 제2법칙에 따른 엔트로피 생성 제약이 블랙홀과 우주론 모델 모두에서 이러한 이국적인 시공간 구조를 금지함을 보여준다.

ABSTRACT

The generalized second law can be used to prove a singularity theorem, by generalizing the notion of a trapped surface to quantum situations. Like Penrose's original singularity theorem, it implies that spacetime is null geodesically incomplete inside black holes, and to the past of spatially infinite Friedmann--Robertson--Walker cosmologies. If space is finite instead, the generalized second law requires that there only be a finite amount of entropy producing processes in the past, unless there is a reversal of the arrow of time. In asymptotically flat spacetime, the generalized second law also rules out traversable wormholes, negative masses, and other forms of faster-than-light travel between asymptotic regions, as well as closed timelike curves. Furthermore it is impossible to form baby universes which eventually become independent of the mother universe, or to restart inflation. Since the semiclassical approximation is used only in regions with low curvature, it is argued that the results may hold in full quantum gravity. An introductory section describes the second law and its time-reverse, in ordinary and generalized thermodynamics, using either the fine-grained or the coarse-grained entropy. (The fine-grained version is used in all results except those relating to the arrow of time.) A proof of the coarse-grained ordinary second law is given.

연구 동기 및 목표

• 일반화된 제2법칙을 이용하여 시공간 구조에 대한 양자 중력 제약을 수립하기 위해.
• 붕괴 표면 개념을 양자 효과를 포함하도록 일반화하여 펜로즈의 특이점 정리의 양자 영역으로의 확장을 위해.
• 비가역적 웜구멍, 음의 질량 물체, 닫힌 시계적 곡선이 점점 평탄한 시공간에서 존재할 수 없음을 배제하기 위해.
• 유생 우주가 부모 우주로부터 독립적으로 될 수 없음을 엔트로피 생성 한계에 기반하여 보여주기 위해.
• 유한한 공간 부피 내에서 양자 터널링을 통한 팽창 재시작이나 우주의 생성이 엔트로피 한계를 위반하지 않고 가능할 수 있는지에 대해 보여주기 위해.

제안 방법

• 일반화된 제2법칙을 사용하여 양자 시공간에 대한 붕괴 표면 개념을 일반화하기 위해.
• 일반화된 제2법칙의 세밀한 엔트로피 형태를 적용하여 시공간 구조에 대한 제약를 도출하기 위해.
• 저곡률 영역에서의 양자 중력 영역에의 적용 가능성을 확보하기 위해 반고전적 근사를 사용하기 위해.
• 엔트로피 제약 하에서 블랙홀과 프리드만–로버트슨–워커 우주론에서의 영향을 분석하기 위해.
• 엔트로피와 시간의 화살표에 기반한 고속도 비상속 여행 및 닫힌 시계적 곡선에 대한 함의를 도출하기 위해.
• 주요 결과에서 사용된 일반화된 형태의 제2법칙을 기반으로 하기 위해, 굵은 엔트로피의 일반 제2법칙을 증명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반화된 제2법칙에 따른 엔트로피 제약이 있을 때, 양자 중력에서 시공간 특이점의 해소가 가능한가?
• RQ2 비가역적 웜구멍과 음의 질량 물체가 점점 평탄한 시공간에서 일반화된 제2법칙을 위반하는가?
• RQ3 유한한 엔트로피 생산과 함께 독립적인 유생 우주의 형성이 일반화된 제2법칙과 호환되는가?
• RQ4 엔트로피 한계를 위반하지 않고 팽창 재시작이나 양자 터널링을 통한 우주의 생성이 가능한가?
• RQ5 일반화된 제2법칙은 유한한 공간 부피 내에서 시간의 화살표와 엔트로피 생성에 기본적인 한계를 암시하는가?

주요 결과

• 일반화된 제2법칙은 블랙홀 내부에서 시공간이 영향을 받지 않는다는 것을 의미하며, 펜로즈 정리를 양자 영역으로 확장한다.
• 유한한 공간 부피를 가진 우주에서는 시간의 화살표가 반전되지 않는 한 과거의 엔트로피 생산 총량이 제한된다.
• 비가역적 웜구멍, 음의 질량, 초광속 이동은 점점 평탄한 시공간에서 엔트로피 제약으로 인해 금지된다.
• 부모 우주로부터 분리되는 독립적인 유생 우주의 형성은 일반화된 제2법칙에 의해 금지된다.
• 유한한 공간 부피 내에서 엔트로피 생성 한계로 인해 팽창 재시작이 불가능하고, 우주는 양자 터널링을 통해 생성될 수 없다.
• 세밀한 엔트로피 형태의 일반화된 제2법칙을 사용하여 유도된 결과는 저곡률 영역에서의 반고전적 근사를 사용하였기 때문에, 전체 양자 중력 이론에서도 성립할 것이라고 주장된다.