[论文解读] Massive Compact Objects in a Quantum Theory of Gravity

S. Kalyana Rama|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2014

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 30被引用 5

一句话总结

本文主张，在量子引力理论中，若奇点被消除且幺正性得以保持，则由恒星坍缩形成的大质量致密天体（MCOs）必须既无奇点也无事件视界。通过证明视界的存在将导致可预测性的丧失——即仅凭当前数据无法预测未来演化——本文得出结论：此类MCOs必须作为具有大量相互作用自由度的标准量子系统行为，这意味着在这些假设下，唯一一致的结果是无视界、无奇点的致密天体。

ABSTRACT

A massive compact object is that which forms when a sufficiently massive star collapses. This is commonly taken to be a black hole with a singularity surrounded by a horizon and which evolves by emitting Hawking radiation. In a quantum theory of gravity, singularities are expected to be resolved and the evolutions are expected to be unitary. Assuming that such a theory with these properties exists, and with a few more physically motivated assumptions, we argue that a massive compact object has no singularity (by assumption) and must also have no horizon; otherwise, there may be a loss of predictability in the case of a black hole candidate observed today. With no singularity and also with no horizon, the massive compact object will then evolve as a standard quantum system with large number of interacting degrees of freedom.

研究动机与目标

• 解决在量子引力理论中黑洞奇点与幺正量子演化之间的矛盾。
• 确定在奇点被消除的前提下，由恒星坍缩形成的致密天体（MCOs）是否必须具有事件视界。
• 论证视界的存在将导致根本性的可预测性丧失，这是物理上不可取的。
• 确立MCOs必须为无视界、无奇点，且作为具有大量相互作用自由度的标准量子系统演化。
• 提出一种普遍的、理论无关的论证，基于可预测性，适用于任何满足幺正性和奇点消除的量子引力框架。

提出的方法

• 假设存在一种量子引力理论，其中奇点被消除，且时间演化是幺正的。
• 引入“奇点云”概念——即量子引力效应消除经典奇点的区域——并估算其大小。
• 将奇点云的大小与史瓦西视界半径进行比较，以评估视界是否可能形成。
• 当奇点云小于视界时，识别出可预测性的丧失，定义为仅凭当前质量无法预测未来演化。
• 通过一个思想实验，涉及今天观测到的黑洞候选体，表明若奇点云扩展至视界之外，其未来演化将变得不可预测。
• 结论：为保持可预测性，奇点云必须大于视界，这意味着视界无法形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种量子引力条件下，大质量致密天体可避免形成事件视界？
• RQ2 若奇点消除区域小于史瓦西视界半径，对可预测性有何影响？
• RQ3 为何无视界是保持从当前状态预测MCO未来演化能力的必要条件？
• RQ4 奇点云相对于视界的大小如何影响量子引力模型与可观测物理的一致性？
• RQ5 无视界、无奇点的MCO能否被一致地描述为具有大量相互作用自由度的标准量子系统？

主要发现

• 若奇点云小于视界，则仅凭当前质量无法预测MCO的未来演化，导致根本性的可预测性丧失。
• 为保持可预测性，奇点云必须大于视界，这意味着大质量致密天体不可能具有事件视界。
• 因此，MCOs必须为无视界、无奇点，且作为具有大量相互作用自由度的标准量子系统演化。
• 该结论独立于具体量子引力框架，只要其能消除奇点并保持幺正性。
• 该结果与弦理论中的“毛球”（fuzz ball）猜想一致，其中无视界、无奇点的构型自然出现。
• 无视界意味着无论质量如何，MCOs都无法进一步坍缩，表明其对引力坍缩具有内在稳定性。