[论文解读] A Firewall Argument from the Swampland

Himanshu Chaudhary, Chethan Krishnan|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文研究了在引力坍缩过程中是否可能出现超普朗克标量场范围，采用受Choptuik工作启发的球对称、无质量标量场模型。研究发现，尽管在超临界坍缩中此类大范围场运动普遍存在，但它们始终被视界所遮蔽，表明存在一种类似火墙的机制，通过将大范围场激发限制在视界内部，从而保护有效场论免于失效。

ABSTRACT

A classical solution where the (scalar) field value moves by an ${\cal O}(1)$ range in Planck units is believed to signal the breakdown of Effective Field Theory (EFT). One heuristic argument for this is that such a field will have enough energy to be inside its own Schwarzschild radius, and will result in collapse. In this paper, we consider an inverse problem: what kind of field ranges arise during the gravitational collapse of a classical field? Despite the fact that collapse has been studied for almost a hundred years, most of the discussion is phrased in terms of fluid stress tensors, and not fields. An exception is the scalar collapse made famous by Choptuik. We re-consider Choptuik-like systems, but with the emphasis now on the evolution of the scalar. We give strong evidence that generic spherically symmetric collapse of a massless scalar field leads to super-Planckian field movement. But we also note that in every such supercritical collapse scenario, the large field range is hidden behind an apparent horizon. We also discuss how the familiar perfect fluid models for collapse like Oppenheimer-Snyder and Vaidya should be viewed in light of our results.

研究动机与目标

• 研究在引力坍缩过程中是否可能出现超普朗克标量场范围，以挑战此类范围始终标志有效场论失效的假设。
• 通过聚焦于标量场演化而非流体近似，重新分析经典坍缩情景，特别是Choptuik类系统。
• 阐明视界在屏蔽大范围场运动对观测者不可见方面的作用，从而在可观测物理中保持有效场论的有效性。
• 在场论坍缩动力学的视角下，重新审视标准流体模型（如Oppenheimer-Snyder和Vaidya）

提出的方法

• 使用数值相对论技术分析球对称、无质量标量场坍缩，重点在于标量场的演化，而非流体应力-能量张量。
• 将Choptuik临界坍缩框架应用于标量场，识别出弥散与黑洞形成之间的临界阈值。
• 追踪坍缩过程中标量场在普朗克单位下的范围，特别是在发生视界形成的超临界区域。
• 识别出视界形成是将超普朗克场运动区域与外部观测者隔离开的关键特征。
• 将场基坍缩动力学与标准流体模型（如Oppenheimer-Snyder、Vaidya）进行比较，以评估其与场论行为的一致性。
• 使用几何和动力学标准，判断场范围是否超过普朗克单位下的O(1)量级，以及此类范围是否具有因果可及性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在经典标量场的引力坍缩过程中，是否可能出现超普朗克标量场范围？
• RQ2 在坍缩过程中，标量场在何种条件下会超过普朗克单位下的O(1)量级，且该行为是否具有普遍性？
• RQ3 此类大范围场运动是否可观测，还是在超临界坍缩中被视界遮蔽？
• RQ4 与场论坍缩相比，标准流体模型（如Oppenheimer-Snyder）在场范围演化方面表现如何？
• RQ5 视界在屏蔽大范围场激发对观测者不可见方面起什么作用，这与景观綱要有何关联？

主要发现

• 无质量标量场的通用球对称坍缩在超临界区域会导致超普朗克场运动。
• 在所有出现超普朗克场范围的情况下，大范围场激发均被视界遮蔽，使其对远处观测者因果隔离。
• 视界形成与大范围场运动的开始同时发生，暗示存在一种自然的类似火墙的机制。
• 当以场论语言重新解释时，标准流体模型（如Oppenheimer-Snyder和Vaidya）无法捕捉标量场演化在坍缩过程中的完整动力学。
• 结果支持这一观点：若此类场范围始终被视界遮蔽，则景观纲要对超普朗克场范围的禁止可能得以规避。
• 本文为有效场论即使在看似标志其失效的大场范围下仍可能保持有效提供了场论基础解释。