[論文レビュー] Variable Speed of Light Cosmology: An Alternative to Inflation

J. W. Moffat|ArXiv.org|Aug 16, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、インフレーションの代替としての可変光速度（VSL）宇宙論を提唱している。初期宇宙における局所的ローレンツ不変性の自発的破れが、光の速度を約30桁小さくする相転移を引き起こす。このモデルにより、スケール不変で断熱的な初期ゆらぎスペクトルの半古典的量子場理論的計算が可能となり、微調整されたポテンシャルや大きな初期真空中エネルギーを必要とせず、CMBの主要な特徴をうまく再現できる。

ABSTRACT

It is generally believed that inflationary cosmology explains the isotropy, large scale homogeneity and flatness as well as predicting the deviations from homogeneity of our universe. We show that this is not the only cosmology which can explain successfully these features of the universe. We consider anew and modify a model in which local Lorentz invariance is spontaneously broken in the very early universe, and in this epoch the speed of light undergoes a first or second order phase transition to a value ~ 30 orders of magnitude smaller, corresponding to the presently measured speed of light. Before the phase transition at a time t ~ t_c, the entropy of the universe is reduced by many orders of magnitude, allowing for a semiclassical quantum field theory calculation of a scale invariant fluctuation spectrum. After the phase transition has occurred, the radiation density and the entropy of the universe increase hugely and the increase in the entropy follows the arrow of time determined by the spontaneously broken direction of the vev _0. This solves the enigma of the arrow of time and the second law of thermodynamics. A new calculation of the primordial Gaussian and adiabatic fluctuation spectrum is carried out, leading to a scale invariant scalar component of the power spectrum. We argue that there are several attractive features of VSL theory compared to standard inflationary theory, and that it provides an alternative cosmology with potentially different predictions.

研究の動機と目的

• インフレーションに依存せずに、ホライズン問題、平坦性問題、エントロピー問題といった初期値問題を解決すること。
• 初期宇宙における自発的ローレンツ対称性の破れを伴う可変光速度（VSL）宇宙論が、観測されたスケール不変な初期ゆらぎスペクトルを再現できるかを検討すること。
• ローレンツ不変性の自発的破れに根ざした、時間の矢と熱力学的不可逆性のメカニズムを提供すること。
• 初期宇宙モデルにおける微調整されたインフレーション場ポテンシャルと大きな真空中エネルギーの必要性を疑問視すること。
• 特にテンソルモードや重力波に関して、異なる予測を持つ、検証可能なインフレーションの代替を提唱すること。

提案手法

• 初期宇宙において局所的ローレンツ不変性を自発的に破る非ゼロの真空期待値（vev）を持つベクトル場を導入する。
• 臨界温度 Tc における一次または二次相転移をモデル化し、光の速度を約30桁小さくする。
• 低速光（low-c）状態における初期ゆらぎスペクトルを計算するため、半古典的量子場理論フレームワークを用いる。
• CMB観測と整合するスケール不変で断熱的なスカラー功率スペクトルを導出する。
• 光の速度の相転移を記述するため、臨界現象に類似した有効場理論を構築する。
• VSLモデルの予測を、特にパワースペクトルのテンソル（重力波）成分に関して、インフレーションモデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変光速度宇宙論は、インフレーションを必要とせず、観測された大規模構造の均一性、等方性、平坦性を説明できるか？
• RQ2 初期宇宙におけるローレンツ対称性の自発的破れは、時間の矢と熱力学第二法則の自然な起源を提供するか？
• RQ3 半古典的量子場理論を用いたVSLフレームワークにおいて、スケール不変な初期ゆらぎスペクトルを導出できるか？
• RQ4 VSLモデルは、インフレーションポテンシャルや初期真空中エネルギーに関連する微調整問題をどのように回避するか？
• RQ5 VSLとインフレーションの観測的差異、特に初期パワースペクトルのテンソル（重力波）成分において、どのような違いが生じるか？

主な発見

• VSLモデルは、低速光状態における半古典的量子場理論的計算により、スケール不変で断熱的なスカラー功率スペクトルをうまく再現した。
• 光の速度の相転移により初期宇宙におけるエントロピーが低下し、高エネルギー密度下でも一貫した量子場理論的計算が可能になった。
• 時間の矢はベクトル場の真空期待値の方向から自然に生じ、熱力学的時間の矢の問題を解決した。
• 標準インフレーションとは異なり、不自然に平坦なインフレーション場ポテンシャルの必要がなく、大きな初期真空中エネルギーも不要である。
• VSLモデルはインフレーションとは異なるテンソルモードスペクトルを予測し、将来的なCMBおよび重力波観測によって検証可能な差異を提供する。
• 光の速度の相転移に対する有効場理論のアプローチは、臨界現象に類似しており、この転移を説得力のある物理的メカニズムで記述できる。