[論文レビュー] Quantum Fluctuations in Cosmology and How They Lead to a Multiverse

Alan H. Guth|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 59被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、インフレーション期の量子揺らぎが宇宙の密度揺らぎを生成し、CMBで観測されるものであると説明しており、同じ揺らぎが永遠のインフレーションとマルチバースを引き起こすと主張している。量子揺らぎが初期宇宙で大規模構造の種を提供するだけでなく、一部の領域ではインフレーションが永遠に続くことになり、物理的性質が異なるポケット宇宙のマルチバースが生じると提唱している。

ABSTRACT

This article discusses density perturbations in inflationary models, offering a pedagogical description of how these perturbations are generated by quantum fluctuations in the early universe. A key feature of inflation is that that rapid expansion can stretch microscopic fluctuations to cosmological proportions. I discuss also another important conseqence of quantum fluctuations: the fact that almost all inflationary models become eternal, so that once inflation starts, it never stops.

研究の動機と目的

• インフレーション期の量子揺らぎが宇宙背景放射（CMB）で観測される密度揺らぎをどのように生成するかを説明すること。
• インフレーションモデルにおける量子揺らぎが、グローバルに見てインフレーションが終わらない永遠のインフレーションを引き起こすことを示すこと。
• CMB非一様性の予測が成功しているという根拠に基づき、マルチバースが量子揺らぎによるインフレーションの自然な結果であると主張すること。
• 永遠にインフレートするマルチバースにおける確率の定義という理論的・概念的課題、特に「測度問題」に取り組むこと。

提案手法

• de Sitterに類似した膨張におけるインフレートン場の量子揺らぎの成長をモデル化するために、時間遅れ形式を用いる。
• 単一スカラー場・ゆっくりとしたロールインフレーションの枠組みを適用し、密度揺らぎのスペクトルのパワーを導出する。
• インフレートン場の量子揺らぎが一部の領域にありつづける仮想真空中に留まる原因となり、永遠のインフレーションを引き起こすことを示すように分析を拡張する。
• それぞれのポケット宇宙が異なる真空エネルギーと物理的パrameterで進化するため、永遠のインフレーションがマルチバースの形成に与える影響を分析する。
• マルチバースの文脈における測度問題を議論し、結果を比較するための明確な確率測度の必要性を強調する。
• 時間カットオフの選択に敏感な、さまざまなサンプリング法とカットオフスキームを評価し、永遠にインフレートする時空における確率の定義を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレートン場の量子揺らぎは、CMBで観測される密度揺らぎをどのように生じさせるのか？
• RQ2 なぜインフレーションモデルにおける量子揺らぎが永遠のインフレーションを引き起こすのか？ その発生に必要な条件は何か？
• RQ3 永遠のインフレーションによって生成されるマルチバースの宇宙論的結果は何か？
• RQ4 すべての可能な結果が無限に繰り返されるマルチバースにおいて、確率を意味的に定義することは可能か？
• RQ5 インフレーションモデルの予測が、マルチバースを物理的実在として受け入れる可能性をどの程度支持しているか？

主な発見

• インフレーション期におけるインフレートン場の量子揺らぎが、宇宙背景放射の観測されたパワー スペクトルと高い精度で一致する密度揺らぎを生成する。
• 構造の種を提供するのと同じ量子揺らぎが、大多数の領域でインフレーションが永遠に続く原因となり、物理的性質が異なるポケット宇宙のマルチバースを生じる。
• マルチバースは、スカラー場の揺らぎがインフレーションの終焉を同時にすべての領域ですべて防ぐというインフレートン場の量子的性質から自然に生じる。
• 観測された真空エネルギー密度の小さな値は、選択的効果によって説明できる可能性がある：生命が可能なのは真空エネルギーが小さい領域に限られるため、このような値はマルチバースにおいて一般的になる。
• 測度問題は未解決のままであり、時間カットオフの異なるスキームが異なる確率をもたらすため、この曖昧さを解消する一意な物理的原理はまだ同定されていない。
• 測度問題が存在するにもかかわらず、インフレーションがCMB非一様性を予測した成功は、マルチバースを有効な理論的枠組みとして扱う動機を強く与える。