[論文レビュー] Gravitational Aether and the thermodynamic solution to the cosmological constant problem

Niayesh Afshordi|ArXiv.org|Jul 16, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、真空エネルギーを重力から分離するための熱力学的修正を重力に施し、宇宙定数問題を解決するインコリパスブル重力エーテル流体を提案する。この理論は、放射の重力定数を33%大きく予測し、修正された力学的ダイナミクスによるスローロールインフレーションを可能にするとともに、有限温度補正によるエーテル状態方程式の変更によって宇宙の加速膨張を説明し、星質量ブラックホールに対して観測されたダークエネルギー密度と整合する。

ABSTRACT

Cosmological constant problem (in its various versions) is arguably the deepest gap in our understanding of theoretical physics, the solution to which may very likely require revisiting the Einstein theory of gravity. In this letter, I argue that the simplest consistent way to decouple gravity from the vacuum energy (and hence solve the problem) is through the introduction of an incompressible gravitational aether fluid. The theory then predicts that gravitational constant for radiation is 33% larger than that of non-relativistic matter, which is preferred by most cosmological observations (with the exception of light element abundances), but is not probed by current precision tests of gravity. I also show that slow-roll inflation can happen in this theory, with only minor modifications. Finally, interpreting gravitational aether as a thermodynamic description of gravity, I propose a finite-temperature correction to the equation of state of gravity, which would explain the present-day acceleration of the cosmic expansion as a consequence of the formation of stellar mass black holes.

研究の動機と目的

• 微調整を伴わず、真空エネルギーを重力から分離することで、宇宙定数問題を解決すること。
• 特に低エネルギー領域において、標準のアインシュタイン＝ヒルベルト作用の代わりに、重力の熱力学的記述を開発すること。
• 宇宙定数ではなく、重力エーテルの状態方程式に対する有限温度補正によって、観測された晩期の宇宙の加速を説明すること。
• 重力の真空エネルギーへの応答を修正しつつも、インフレーションや構造形成を含む宇宙論的観測と整合性を保つこと。
• 人為的マルチバース解の代替として、ダークエネルギー密度をブラックホール物理学と熱力学から導出することで、微調整を避けた検証可能な代替案を提示すること。

提案手法

• 重力が重力エーテル流体に結合するように修正されたアインシュタイン方程式を導入し、運動方程式の右辺を真空エネルギー密度に対して感受性が低くなるように調整する。
• 非圧縮性流体としての重力エーテルを定義し、修正された状態方程式を導入することで、物質と比較して放射の重力定数が33%大きくなるようにする。
• スカラー場インフレーションモデルに対する修正されたフリードマン方程式を導出し、スカラー場の運動エネルギーに依存する関係が変化するが、スローロールインフレーションが依然として成立することを示す。
• エーテルのストレステンソルに有限温度補正を提案し、$ M_p T_H^3 $に比例する項を含める。ここで $ T_H $ はブラックホールホライズン温度である。
• 観測されたダークエネルギー密度を用いて、温度補正の係数を制約し、星質量ブラックホール（$ \sim 20 M_\odot $）と整合することが判明する。
• 得られた状態方程式を、より深い基礎的理論のための経験的指針として扱い、重力の作用原理に依存しないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的修正によって重力の領域を変更し、新たな基本場を導入することなく、真空エネルギーから重力を分離できるか？
• RQ2 放射の修正された重力定数が宇宙論的結果に与える影響は何か？インフレーションや構造形成にどのような影響を与えるか？
• RQ3 観測された宇宙の加速は、宇宙定数ではなく、重力のエーテル状態方程式に対する有限温度補正によって説明できるか？
• RQ4 星質量ブラックホールの形成と宇宙加速の発生との間に、重力エーテル熱力学を介した関係があるか？
• RQ5 プランク質量とブラックホール質量スケールのみを用いて、微調整を避け、ブラックホール熱力学からダークエネルギー密度を導出できるか？

主な発見

• 理論は、非相対論的物質と比較して、放射の重力定数が33%大きいと予測しており、光元素の生成率を除くほとんどの宇宙論的観測と整合する。
• スローロールインフレーションは、このモデルでも成立し、修正されたフリードマン方程式が $ \dot{\varphi} $ に依存するが、通常の $ \epsilon $-抑制を伴わないスカラースペクトルが導かれる。
• 重力エーテルの有効状態方程式には、$ M_p T_H^3 $ に比例する有限温度補正が含まれており、観測されたダークエネルギー密度 $ \Omega_\Lambda \simeq 0.7 $ を再現可能である。
• 観測と一致するための必要なブラックホール質量は $ M_{BH} \simeq 20 M_\odot $ であり、超新星で形成される星質量ブラックホールと整合する。
• このモデルは、人為的要因を排除し、有限温度に依存する説明を提供することで、宇宙加速を説明する。ブラックホールの形成とそのホライズン温度と関連づける。
• 重力の作用原理が存在しないことは、熱力学的記述と整合しており、マルチバースや人為的解の代替として検証可能な代替案を提示する。