[論文レビュー] Entropy and initial conditions in cosmology

T. Banks|ArXiv.org|Jan 16, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 39被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、宇宙が低エントロピー状態で始まった理由を検討し、そのような状態が熱的フラクチュエーションによって生じるのではなく、それらの条件が熱的フラクチュエーションから生じるという考えに反論している。Dyson-Kleban-Susskindモデルが通常の観測者としてボルツマンブレインを予測する点を批判し、ホログラフィック宇宙論が、進化した観測者がボルツマンブレインのフラクチュエーションよりも先に現れるように保証するため、より一貫性のある説明を提供することを主張している。

ABSTRACT

I discuss the Boltzmann-Penrose question of why the initial conditions for cosmology have low entropy. The modern version of Boltzmann's answer to this question, due to Dyson, Kleban and Susskind, seems to imply that the typical intelligent observer arises through thermal fluctuation, rather than cosmology and evolution. I investigate whether this can be resolved within the string landscape. I end with a review of the suggestion that Holographic Cosmology provides a simpler answer to the problem. This paper is a revision of unpublished work from the spring of 2006, combined with my talk at the Madrid conference on String theory and Cosmology, Nov 2006.

研究の動機と目的

• Penrose や Boltzmann が強調したように、宇宙が低エントロピー状態で始まったという未解決のパズルを解明すること。
• 特に、孤立したボルツマンブレインを生じるような熱的フラクチュエーションが、観測された宇宙初期状態を説明できるかどうかを評価すること。
• ストリングランドスケープ枠組みが、特定の初期状態を仮定せずにボルツマンブレイン問題を解決できるかどうかを検討すること。
• ホログラフィック宇宙論が、低エントロピー初期状態をより一貫性があり物理的に妥当な方法で説明できるかどうかを検討すること。
• 量子宇宙論モデルにおいて、進化した観測者がボルツマンブレインよりも確率的に高い状況を明確にすること。

提案手法

• de Sitter 空間における熱的フラクチュエーションから宇宙が生じるという仮説に基づく Dyson-Kleban-Susskind (DKS) モデルを分析する。
• 統計力学における典型性の概念を適用し、熱的フラクチュエーションから生じる自己認識を持つ存在（ボルツマンブレイン）が、進化した観測者よりも支配的であると主張する。
• 複数の準安定的な de Sitter 真空が存在するストリングランドスケープを検討し、それぞれが生命を支える可能性があるが、ボルツマンブレインの生成は依然として脅威であると分析する。
• 初期段階で $p = \rho$ の状態方程式を満たすホログラフィック宇宙論を評価し、ホログラフィック原理に整合する高密度のブラックホール流体の配置を実現する。
• 初期状態がフラクチュエーションではなく、時間に依存するハミルトニアンの時間発展であるモデルを構築し、ボルツマンブレインのフラクチュエーションが生じる前に宇宙の膨張と進化した観測者の出現を保証する。
• 進化した観測者とボルツマンブレインを区別する基準を提示する：時間に依存するハミルトニアンが安定した de Sitter 状態に向かって進化する宇宙でのみ、進化した観測者が存在可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ宇宙は低エントロピー初期状態を示すのか？これは熱的フラクチュエーションによって説明可能か？
• RQ2 熱的フラクチュエーションに基づくモデルでは、なぜボルツマンブレインの生成が進化した観測者の出現よりもはるかに確率的に高いのか？
• RQ3 ストリングランドスケープが、生命を支える真空の割合が小さく、かつ急速に崩壊するように保証することで、ボルツマンブレイン問題を解決できるか？
• RQ4 ホログラフィック宇宙論は、不思議なフラクチュエーションに依存せず、自然に低エントロピー初期状態を生じさせる一貫性のある枠組みを提供するか？
• RQ5 進化した観測者とボルツマンブレインを区別できる条件は何か？そしてこれは宇宙論モデルの妥当性に何を意味するか？

主な発見

• Dyson-Kleban-Susskind モデルは、観測された進化した観測者の優位性を説明できない。なぜなら、このモデルではボルツマンブレインが低エントロピー初期状態を有する宇宙の歴史よりもはるかに確率的に生じると予測するからである。
• ストリングランドスケープでは、生命を支える物理法則を持つ準安定 de Sitter 真空がゆっくりと崩壊する場合、ボルツマンブレインの生成は依然として支配的で問題となる結果となる。
• ホログラフィック宇宙論は、初期状態がフラクチュエーションではなく、時間に依存するハミルトニアンによって支配される動的状態であることを保証することで、ボルツマンブレイン問題を回避する。
• ホログラフィック宇宙論では、ボルツマンブレインのフラクチュエーションが生じる前に、宇宙の膨張が進行し、進化した観測者が出現する。
• ホログラフィックモデルでは、初期状態が平衡状態のフラクチュエーションではなく、明確な過去を持つ動的過程であるため、ボルツマンブレインは進化した観測者よりも確率的に低い。
• 観測者は、少数の観測（具体的には、孤立した熱的フラクチュエーションに欠けている宇宙論的相関を検出すること）によって、自分自身がボルツマンブレインではないと区別できる。