[논문 리뷰] Bad Babies; or, Vacuum Selection and The Arrow of Time

Brett McInnes|arXiv (Cornell University)|2007. 06. 13.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 23인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 루프 양자 중력 이론에서 진공 붕괴를 통해 생성된 유비의 경우, 열역학적 시간 화살표가 우리 우주와 일치할 수 있을 정도의 낮은 엔트로피 초기 조건이 매우 불가능하다는 점을 주장한다. 따라서 유비가 '무로부터' 엔트로피 원리에 의해 생성된 것처럼, 오직 이러한 방식으로 탄생한 우주만이 관측된 시간 화살표를 자연스럽게 설명할 수 있으며, 이는 스트링 이론의 우주 다각도에서 강력한 선택 기제가 된다.

ABSTRACT

Even if string theory has a landscape of internally consistent universes, and even if one has a mechanism for actually creating these universes [as “baby universes”], it may well prove to be the case that the babies will not resemble the Universe we observe. For they may not have an Arrow of time: even if some of them have basic physical laws essentially identical to those we have discovered, they may have the wrong initial conditions. We argue that it is extremely difficult, indeed probably impossible, for a baby universe to have an Arrow of time [of the kind we observe]. Therefore it cannot resemble our Universe. The only Universe[s] with an Arrow like ours may be the one[s] that was [were] “created from nothing”, in accordance with the Ooguri-Vafa-Verlinde “entropic principle”.1. The Arrow of Time and its Uses One of the most basic observations about our Universe is also one of the most difficult to explain: the existence of an Arrow of time [1][2][3][4]. Whether one examines the entropy that the early Universe might have had due to black holes [1] or uses “holographic” estimates of that entropy [4], the conclusion is that the initial conditions must have been “non-generic ” to an almost unimaginable degree. The difficulties involved in explaining this extraordinary feature of the Universe have recently attracted some attention, leading to a variety of proposed solutions [5][6][7][8]. In this challenge, however, there lies a great opportunity. For if an Arrow of time is something that is very difficult to establish, if in fact extremely few universes have an Arrow, then the Arrow becomes a powerful tool for selecting universes in any theory that presents us with a multitude of them. That is, demanding the existence of an Arrow may allow us to rule out large classes of universes which might have exactly the right gauge group, spectrum of particles, and so on — which might, in short, have everything except the right initial conditions. The importance of settling this question can hardly be overstated: in particular, it is clear that nothing meaningful can be said about populating the string landscape [9] until one has a good understanding of the Arrow. For whatever an “observer ” may be, one can feel confident that such devices do not exist if there is no

연구 동기 및 목표

• 스트링 이론에서 진공 붕괴를 통해 생성된 유비가 자연스럽게 열역학적 시간 화살표를 발달시킬 수 있는지 조사하기.
• 그러한 유비가 열역학적 화살표가 우리와 유사하도록 하기 위해 요구되는 극도로 낮은 엔트로피 초기 조건을 달성할 수 있는지 평가하기.
• 시간 화살표가 스트링 이론의 우주 다각도에서 대부분의 우주를 배제하는 선택 기준이 될 수 있는지 평가하기.
• 오직 '무로부터의 창조'를 통해 엔트로피 원리에 의해 탄생한 우주만이 관측된 시간 화살표를 신뢰할 만하게 재현할 수 있다는 주장을 펼치기.

제안 방법

• 거짓 진공 붕괴를 통한 양자 터널링으로 생성된 유비의 초기 조건 분석하기.
• 홀로그래픽 원리와 엔트로피 추정치를 적용하여 유비 내에서 낮은 엔트로피 초기 상태가 발생할 가능성을 평가하기.
• 유비의 초기 단계에서의 엔트로피를 우리 자신의 초기 우주와 비교하며, 특히 블랙홀 기여도에 초점 맞추기.
• 오구리-바파-버린데 엔트로피 원리를, 자연스럽게 열역학적 시간 화살표를 발달시킬 수 있는 우주를 기준으로 삼기.
• 유비 내에서 비일반적인 초기 조건이 발생할 확률 평가하기; 이는 지수적으로 감소함을 보여주기.
• 결론적으로, 열역학적 시간 화살표를 갖기 위해 필요한 초기 조건을 달성할 수 있는 유비는 오직 '무로부터의 창조' 메커니즘을 거친 것뿐이라는 결론 도출하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스트링 이론에서 진공 붕괴를 통해 생성된 유비가 우리 우주와 유사한 열역학적 시간 화살표를 자연스럽게 발달시킬 수 있는가?
• RQ2 유비가 열역학적 화살표를 갖기 위해 요구되는 극도로 낮은 엔트로피 초기 조건을 갖는 확률은 얼마인가?
• RQ3 엔트로피 원리와 진공 붕괴 메커니즘은 시간 화살표를 설명하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ4 시간 화살표는 스트링 이론의 우주 다각도에서 대부분의 우주를 배제하는 선택 기준이 될 수 있는가?
• RQ5 왜 우리의 초기 우주의 상태는 매우 비일반적인가? 이는 기본적인 메커니즘으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 진공 붕괴를 통해 생성된 유비는 열역학적 시간 화살표를 갖기 위해 필요한 낮은 엔트로피 초기 조건을 갖는 것이 매우 불가능하다.
• 그러한 초기 조건이 유비 내에서 자연스럽게 발생할 확률은 지수적으로 감소하여 실질적으로 불가능하다.
• 우리와 유사한 열역학적 시간 화살표를 갖는 우주는 오직 엔트로피 원리에 의해 '무로부터' 탄생한 경우에만 자연스럽게 설명될 수 있다.
• 시간 화살표는 스트링 이론의 우주 다각도에서 강력한 선택 기제로 작용하여, 물리적으로 타당한 다른 많은 유비들을 배제한다.
• 열역학적 시간 화살표는 유비의 일반적인 특성은 아니며, 특정한 창조 메커니즘이 필요로 하는 매우 비일반적인 결과이다.
• 오직 엔트로피 원리에 의해 '무로부터의 창조'를 겪은 우주만이 관측된 시간 화살표를 자연스럽게 설명할 수 있다.