[论文解读] Black holes and traversible wormholes: a synthesis

Sean A. Hayward|ArXiv.org|Mar 14, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于外捕获视界（outer trapping horizons）的黑洞与可穿越虫洞统一框架，其中黑洞为单向（非时序）结构，虫洞为双向（时序）结构，因果性质由能量条件决定。关键贡献在于通过奇异物质实现黑洞与虫洞的动态可逆转换，该结论在二维标量引力与球对称模型中得到验证，表明半经典条件下蒸发的黑洞会演变为可穿越虫洞。

ABSTRACT

A unified framework for black holes and traversible wormholes is described, where both are locally defined by outer trapping horizons, two-way traversible for wormholes and one-way traversible for black or white holes. In a two-dimensional dilaton gravity model, examples are given of: construction of wormholes from black holes; operation of wormholes for transport, including back-reaction; maintenance of an operating wormhole; and collapse of wormholes to black holes. In spherically symmetric Einstein gravity, several exotic matter models supporting wormhole solutions are proposed: ghost scalar fields, exotic fluids and pure ghost radiation.

研究动机与目标

• 基于外捕获视界，建立黑洞与可穿越虫洞的统一局部几何框架。
• 通过展示其动态可逆性，解决长期以来认为虫洞与黑洞本质不同的观念。
• 研究奇异物质（负能量密度）在构建、运行与维持可穿越虫洞中的作用。
• 探讨黑洞蒸发对虫洞形成的影响，提出虫洞可能是霍金辐射的终点。
• 构建并分析具体模型（如鬼场与奇异流体），以支持球对称引力中稳定虫洞解的存在。

提出的方法

• 通过外捕获视界定义黑洞与虫洞：黑洞为单向（非时序），虫洞为双向（时序），其因果结构由视界决定。
• 在二维标量引力（CGHS模型）中引入鬼标量场，解析求解黑洞与虫洞的动力学演化。
• 构造静态虫洞与黑洞的初始数据，随后施加微扰（如关闭鬼辐射或添加正常辐射），以模拟坍缩、构建、运行与维持过程。
• 在三维球对称爱因斯坦引力中引入奇异物质模型：鬼标量场、具有负径向压强的奇异流体，以及纯鬼辐射。
• 应用零能量条件及其破坏，对视界进行分类：正能量密度导致单向行为（黑洞），负能量密度导致双向行为（虫洞）。
• 使用彭罗斯图可视化捕获视界在黑洞与虫洞状态间转换过程中的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞与可穿越虫洞能否由单一局部几何结构（如外捕获视界）统一描述？
• RQ2 在何种条件下，通过能量密度变化，黑洞可演化为可穿越虫洞，反之亦然？
• RQ3 半经典条件下，黑洞通过霍金辐射蒸发是否可导致可穿越虫洞的形成，如视界因果演化所暗示的那样？
• RQ4 动力学过程（如辐射脉冲）如何影响虫洞的稳定性和可穿越性？
• RQ5 哪些奇异物质模型可在球对称爱因斯坦引力中支持稳定、静态的虫洞解？

主要发现

• 黑洞与可穿越虫洞具有动态可逆性：若引入负能量密度，黑洞可转变为虫洞；若移除奇异物质，虫洞可坍缩为黑洞。
• 在含鬼标量场的二维标量引力模型中，可通过鬼辐射照射黑洞来构建静态虫洞，使零能视界转变为类时视界，进而合并形成虫洞颈。
• 在传输过程中，虫洞可保持可穿越状态较长时间：当正常辐射脉冲通过虫洞时，会导致双捕获视界暂时分叉，但若脉冲能量较小，则不会破坏可穿越性。
• 通过发送能量相等、符号相反的补偿鬼辐射脉冲，可在扰动后恢复静态虫洞，使分叉的视界重新合并为稳定虫洞颈。
• 在半经典条件下，若霍金辐射具有负能量，则史瓦西黑洞会演化为可穿越虫洞，因捕获视界变为类时。
• 由鬼标量场支持的埃利斯虫洞在动力学上不稳定：鬼场减弱将导致坍缩为黑洞，而鬼场增强则引发暴胀式爆炸。