[논문 리뷰] De Sitter Space Without Quantum Fluctuations

Kimberly K. Boddy, Sean M. Carroll외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 01.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 87인용 수 8

한 줄 요약

논문은 시간에 따라 변하지 않는 비평형 기록 장치가 정적 상태에 존재하지 않기 때문에, 타당한 가정 하에 데 시터 공간이 양자 플럭투에이션 없이 정적 진공 상태로 진화할 수 있다고 주장한다. 이 결론은 우주의 털 없는 정리에 기반하며, 무한 차원 힐버트 공간을 가진 이론으로 확장되었으며, 볼츠만 브레인 문제를 해결하고 영구 인플레이션의 가능성은 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 낮다고 시사한다.

ABSTRACT

We argue that, under certain plausible assumptions, de Sitter space settles into a quiescent vacuum in which there are no quantum fluctuations. Quantum fluctuations require time-dependent histories of out-of-equilibrium recording devices, which are absent in stationary states. For a massive scalar field in a fixed de Sitter background, the cosmic no-hair theorem implies that the state of the patch approaches the vacuum, where there are no fluctuations. We argue that an analogous conclusion holds whenever a patch of de Sitter is embedded in a larger theory with an infinite-dimensional Hilbert space, including semiclassical quantum gravity with false vacua or complementarity in theories with at least one Minkowski vacuum. This reasoning provides an escape from the Boltzmann brain problem in such theories. It also implies that vacuum states do not uptunnel to higher-energy vacua and that perturbations do not decohere while slow-roll inflation occurs, suggesting that eternal inflation is much less common than often supposed. On the other hand, if a de Sitter patch is a closed system with a finite-dimensional Hilbert space, there will be Poincare recurrences and Boltzmann fluctuations into lower-entropy states. Our analysis does not alter the conventional understanding of the origin of density fluctuations from primordial inflation, since reheating naturally generates a high-entropy environment and leads to decoherence.

연구 동기 및 목표

• 정적 진공 상태에서의 양자 플럭투에이션 부재를 보여줌으로써 데 시터 공간 내 볼츠만 브레인 문제를 해결하는 것.
• 무한 차원 힐버트 공간을 가진 더 큰 이론에 포함된 데 시터 패치에서 양자 플럭투에이션이 지속되는지 조사하는 것.
• 반고전 양자 중력 이론과 진위 또는 미ン크옵스키 진공 상태를 가진 이론에서의 영구 인플레이션과 진공 안정성에 대한 영향을 검토하는 것.
• 유한 차원과 무한 차원 힐버트 공간에서의 데 시터 패치 행동을 비교하여, 피카르에 재진입과 볼츠만 플럭투에이션에 대해 다루는 것.

제안 방법

• 시간에 따라 변하지 않는 비평형 기록 장치가 없는 정적 상태에서, 고정된 데 시터 배경에서 질량이 있는 스칼라 장이 양자 플럭투에이션이 없는 진공 상태로 수렴함을 보여주기 위해 우주의 털 없는 정리를 적용한다.
• 반고전 양자 중력 이론에서 진위 진공 상태가 있거나, 미ン크옵스키 진공 이론에서 보편성 원리가 적용되는 것과 같은 무한 차원 힐버트 공간을 가진 이론으로 논리를 확장한다.
• 정적 상태에서 시간에 따라 변하는 비평형 기록 장치가 없음을 근거로, 양자 플럭투에이션이 지속될 수 없다고 주장한다.
• 이를 유한 차원 힐버트 공간과 대비시켜, 피카르에 재진입이 낮은 엔트로피 상태로의 볼츠만 플럭투에이션을 유도한다는 점을 다룬다.
• 느린 로우 인플레이션 기간 동안의 진동의 디코herence를 분석하여, 고엔트로피 환경이 없는 경우에 진동이 디코herence되지 않는다는 것을 보여준다.
• 재가열 과정을 통해 표준적인 초기 밀도 불균형의 기원을 유지한다. 이는 고엔트로피 환경을 생성하고 디코herence를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타당한 물리적 가정 하에 데 시터 공간이 양자 플럭투에이션 없이 진화할 수 있는가?
• RQ2 왜 정적 평형 상태인 데 시터 진공 상태에서는 양자 플럭투에이션이 발생하지 않는가?
• RQ3 더 큰 이론의 무한 차원 힐버트 공간이 데 시터 패치의 안정성과 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 틀이 영구 인플레이션에서의 볼츠만 브레인 문제에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 피카르에 재진입과 볼츠만 플럭투에이션이 데 시터 시스템에서 재등장하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 시간에 따라 변하는 비평형 기록 장치가 없기 때문에, 데 시터 공간은 양자 플럭투에이션 없이 정적 진공 상태로 수렴한다.
• 우주의 털 없는 정리에 따라, 고정된 데 시터 배경에서 질량이 있는 스칼라 장은 플럭투에이션이 없는 진공 상태로 수렴한다.
• 반고전 양자 중력 이론에서 진위 진공 상태가 있거나, 미ン크옵스키 진공 이론에서 보편성 원리가 적용되는 것과 같은 무한 차원 힐버트 공간을 가진 이론에서도 유사한 결론이 성립한다.
• 양자 플럭투에이션의 부재는 이러한 틀에서 볼츠만 브레인 문제를 해결한다.
• 진공 상태는 더 높은 에너지 진공 상태로의 업튜널링을 하지 않으며, 느린 로우 인플레이션 기간 동안 진동은 디코herence되지 않아 영구 인플레이션이 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 덜 흔하다는 것을 시사한다.
• 유한 차원 힐버트 공간에서는 피카르에 재진입이 낮은 엔트로피 상태로의 볼츠만 플럭투에이션을 유도하는 반면, 무한 차원의 경우와는 대조된다.