[논문 리뷰] Traversable wormholes in General Relativity without exotic matter

R. A. Konoplya, A. Zhidenko|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 에너지-디랙-맥스웰 이론에서 기하학적 및 페르미온 장이 목줄기에서 매끄럽고 대칭적인 상태를 유지하면서 기괴한 물질을 피하는 점점 평탄해지는 가로질러가는 웜홀 해를 제시한다. 이전의 해들과 달리, 페르미온 전하 밀도의 비연속적인 부호 변화와 인위적인 물질 막대를 필요로 하지 않으며, 이는 연속적인 장을 가진 비대칭 웜홀을 구성함으로써 일반 상대성 이론에서 가로질러가는 웜홀에 대해 물리적으로 타당한 메커니즘을 제안한다.

ABSTRACT

In [J. Blazquez-Salcedo, C. Knoll, E. Radu, Phys. Rev. Lett. 126 (2021) no.10, 101102] asymptotically flat traversable wormhole solutions were obtained in the Einstein-Dirac-Maxwell theory without using exotic matter. The normalizable numerical solutions found in [1] require a peculiar behavior at the throat: the mirror symmetry relatively the throat leads to the nonsmoothness of gravitational and matter fields. In particular, one must postulate the changing of the sign of the fermionic charge density at the throat requiring coexistence of particle and antiparticles without annihilation and posing a membrane of matter at the throat with specific properties. Apparently this kind of configurations could not exist in nature. We show that there are wormhole solutions, which are asymmetric relatively the throat and endowed by smooth gravitational and matter fields, being, thereby, free from all the above problems. This indicates that such wormhole configurations could also be supported in a realistic scenario.

연구 동기 및 목표

• 목줄기에서 페르미온 전하 행동이 비연속적인 데 기인한 이전의 가로질러가는 웜홀 해의 물리적 비합리성을 다루기 위해.
• 웜홀 기하학에서 기괴한 물질과 인위적인 물질 막대의 필요성을 제거하기 위해.
• 목줄기에서 매끄럽고 연속적인 중력장 및 물질장이 유지되는 가로질러가는 웜홀 해를 구성하기 위해.
• 비대칭 웜홀 구조가 일반 상대성 이론과 일관되면서도 매끄러운 장 행동을 지원할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 목줄기에서 거울 대칭을 가정하지 않고 아인슈타인-디랙-맥스웰 이론에서 수치적 해를 구성하기 위해.
• 비대칭 장 프로파일을 允허하는 경계 조건을 갖는 아인슈타인, 디랙, 맥스웰 방정식의 결합된 시스템을 해결하기 위해.
• 목줄기에서 정칙 조건을 적용하여 계량 및 물질 장의 매끄러움을 보장하기 위해.
• 페르미온 전하 밀도의 부호 전환이 발생하지 않도록, 목줄기에서 외부로 장 방정식을 수치적으로 통합하기 위한 접근법을 사용하기 위해.
• 해가 기하학적으로 점점 평탄해지고 기괴한 물질 없이 에너지 조건을 만족하는지 검증하기 위해.
• 입자-반입자 상호작용이 없고 인위적인 막대가 없기 때문에, 해가 물리적으로 더 타당하다는 것을 확인하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 상대성 이론에서 가로질러가는 웜홀을 기괴한 물질 없이, 그리고 목줄기에서 페르미온 전하 밀도의 부호 전환 없이 구성할 수 있는가?
• RQ2 비대칭 웜홀 해가 목줄기에서 매끄러운 중력장 및 물질장을 유지할 수 있는가?
• RQ3 그러한 해가 입자와 반입자가 존재하되 상호작용하지 않는 상태나 인위적인 물질 막대가 필요 없이, 이를 피할 수 있는가?
• RQ4 거울 대칭이 없더라도 점점 평탄해지고 정칙 장 행동을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이러한 해가 이전의 비물리적 가정에 의존하는 모델에 비해 타당한 대안을 제공하는가?

주요 결과

• 아인슈타인-디랙-맥스웰 이론에서, 기괴한 물질이 없고 목줄기에서 매끄럽고 연속적인 중력장 및 페르미온 장을 유지하는 비대칭 웜홀 해가 존재한다.
• 페르미온 전하 밀도의 부호 전환을 가정할 필요가 없어지면서, 상호작용하지 않는 입자와 반입자가 공존하는 조건이 제거된다.
• 목줄기에서의 거울 대칭이 없음으로써 매끄러운 장 행동이 가능해지며, 이는 이전 모델에서 나타났던 비연속성 문제를 해결한다.
• 구성은 점점 평탄하고, 인위적인 물질 막대를 도입하지 않아도 물리적 정칙 조건을 만족한다.
• 이러한 해들은 일반 상대성 이론에서 표준 물질 장이 기괴한 가정 없이도 가로질러가는 웜홀을 지지할 수 있음을 보여준다.
• 결과적으로 이러한 웜홀 기하학은 현실적인 상대론적 프레임워크에서 물리적으로 실현 가능할 수 있음을 시사한다.