[論文レビュー] Spontaneous Inflation and the Origin of the Arrow of Time

Sean M. Carroll, Jennifer Chen|ArXiv.org|Oct 27, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 98被引用数 96

ひとこと要約

本稿では、de Sitter 背景からの自己発生的インフレーションが、時間の前向きおよび後ろ向きの両方向でエントロピーが無限に増加できるようにすることで、熱力学的時間の矢を動的に生成できることを提案する。主な貢献は、時間対称的かつ永遠にインフレートするマルチバースであり、低エントロピー初期状態が量子揺らぎから自然に生じることで、特別な境界条件を必要とせずに宇宙の低初期エントロピーの謎が解消されることである。

ABSTRACT

We suggest that spontaneous eternal inflation can provide a natural explanation for the thermodynamic arrow of time, and discuss the underlying assumptions and consequences of this view. In the absence of inflation, we argue that systems coupled to gravity usually evolve asymptotically to the vacuum, which is the only natural state in a thermodynamic sense. In the presence of a small positive vacuum energy and an appropriate inflaton field, the de Sitter vacuum is unstable to the spontaneous onset of inflation at a higher energy scale. Starting from de Sitter, inflation can increase the total entropy of the universe without bound, creating universes similar to ours in the process. An important consequence of this picture is that inflation occurs asymptotically both forwards and backwards in time, implying a universe that is (statistically) time-symmetric on ultra-large scales.

研究の動機と目的

• 特別な初期条件に依存せずに、熱力学的時間の矢の起源を説明すること。
• 量子揺らぎから自然に生じる低エントロピー初期状態を示すことで、宇宙の低初期エントロピーの謎を解消すること。
• インフレーションが時間の前向きおよび後ろ向きの両方で発生する時間対称的宇宙論モデルを提案すること。
• ビッグバンが一意的な境界ではないが、永遠にインフレートするマルチバースにおける多数のインフレーション核生成事象の一つであることを主張すること。
• 重力と量子揺らぎが、超大スケールでエントロピーが増加する自然で非平衡状態を生じさせることのメカニズムを明らかにすること。

提案手法

• 小さな正の真空エネルギーとインフレートン場を有するde Sitter空間内の量子系として宇宙をモデル化する。
• 固定されたde Sitter背景におけるスカラー場の揺らぎを、半古典的量子場理論を用いて計算する。
• 大きな揺らぎが計量に与える逆作用を導入し、自己発生的インフレーションを誘発する。
• 典型性の原理を適用する：時間対称的かつ永遠にインフレートする時空では、典型的な観測者は両時間方向でエントロピー増加を経験する。
• Bekenstein-Hawkingのエントロピー公式を用いて、現在のエントロピー（S ~ 10^99）と最大可能エントロピー（S_max ~ 10^121）を比較し、宇宙が平衡状態から著しく離れていることを示す。
• 因果的パッチモデルを構築し、熱揺らぎからの自己発生的インフレーションを想定することで、過去および未来の両方でポケット宇宙のフラクタル分布が生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般相対性理論における重力理論において、普遍的な初期条件から熱力学的時間の矢が動的に生じ得るか？
• RQ2 なぜ宇宙は極めて低い初期エントロピーを持っているのか？ そして、微調整を必要とせずにこれを説明できるか？
• RQ3 時間対称的宇宙論モデルにおいて、エントロピーが前向きおよび後ろ向きの両時間方向で無限に増加しうるか？
• RQ4 ユニタリティや因果性を破ることなく、量子揺らぎによってde Sitter空間から自己発生的インフレーションが開始可能か？
• RQ5 インフレートン場と真空エネルギーは、観測可能な宇宙を説明できる自己発生的かつ永遠のインフレーションを可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 熱力学的時間の矢は、de Sitter空間からの自己発生的インフレーションによって動的に説明可能であり、時間の前向きおよび後ろ向きの両方向でエントロピーが無限に増加する。
• 観測可能な宇宙のエントロピーは現在約10^99であり、最大可能値（約10^121）に比べて著しく低いことから、低エントロピー初期状態であることが示唆される。
• de Sitter空間からの自己発生的インフレーションは、物質、放射、構造形成を伴う我々の観測可能な宇宙に類似した領域を生成可能である。
• このモデルは、ビッグバンが一意的な初期特異点ではなく、永遠にインフレートする時間対称的時空における多数のインフレーション核生成事象の一つであることを示唆する。
• この図式において、我々の宇宙の初期状態は特別ではなく、インフレーションポケットの集合の中での典型例である。
• 自由度の数は無限大かつ固定されていると仮定され、インフレーション開始前にすべてが基底状態にあることが必要であるが、これはより深い量子重力の洞察を要する条件である。