[论文解读] Traversable wormholes in General Relativity without exotic matter

R. A. Konoplya, A. Zhidenko|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文在爱因斯坦-狄拉克-麦克斯韦理论中提出了渐近平坦的、可穿越的虫洞解，避免了奇异物质，并在虫洞喉部保持了光滑且对称的引力场和费米子场。与以往需要在费米子电荷密度上发生不光滑符号变化及人工物质膜的解不同，本工作构建了具有连续场的非对称虫洞，表明在广义相对论中存在一种物理上可行的可穿越虫洞机制。

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.

研究动机与目标

• 解决以往可穿越虫洞解在喉部存在费米子电荷行为不光滑所带来的物理不可信问题。
• 消除虫洞几何中对奇异物质和人工物质膜的需求。
• 构建在喉部具有光滑连续引力场和物质场的可穿越虫洞解。
• 探讨非对称虫洞构型是否能在保持与广义相对论一致的前提下支持光滑场行为。

提出的方法

• 在爱因斯坦-狄拉克-麦克斯韦理论中构建数值解，不假设喉部具有镜像对称性。
• 通过允许非对称场分布的边界条件求解爱因斯坦方程、狄拉克方程和麦克斯韦方程的耦合系统。
• 在喉部施加正则性条件，以确保度规和物质场的光滑性。
• 采用数值方法从喉部向外积分场方程，避免费米子电荷密度的符号翻转。
• 验证解保持渐近平坦性，并满足能量条件而无需奇异物质。
• 确认由于不存在粒子-反粒子湮灭及人工膜，该解在物理上更具可信度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广义相对论中，是否可以构建出无需奇异物质且在喉部不需费米子电荷密度符号翻转的可穿越虫洞？
• RQ2 是否存在非对称虫洞解，其在喉部保持光滑的引力场和物质场？
• RQ3 此类解是否能避免对物质膜或粒子与反粒子共存但不湮灭的需求？
• RQ4 在不具有镜像对称性的情况下，是否可能实现渐近平坦性与场的正则行为？
• RQ5 这些解是否可作为依赖非物理假设的先前模型的可行替代方案？

主要发现

• 在爱因斯坦-狄拉克-麦克斯韦理论中存在非对称虫洞解，其不包含奇异物质，并在喉部保持光滑连续的引力场和费米子场。
• 该解避免了对费米子电荷密度符号变化的假设，从而消除了对共存粒子与反粒子但不发生湮灭的需求。
• 喉部缺乏镜像对称性使得场行为变得光滑，解决了早期模型中存在的不光滑性问题。
• 这些构型是渐近平坦的，并满足物理正则性条件，无需引入人工物质膜。
• 这些解表明，可穿越虫洞可由广义相对论中的标准物质场支持，而无需引入非物理假设。
• 结果表明，此类虫洞几何在真实的相对论框架中可能是物理上可实现的。