[논문 리뷰] Energy Emission by Quantum Systems in an Expanding FRW Metric

Daniel P. Sheehan, V. Kriss|arXiv (Cornell University)|2004. 11. 11.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 팽창하는 프리드만-로버트슨-워커 (FRW) 우주에서 경계가 있는 양자 시스템이, 메트릭 수축 에너지(MCE)라고 불리는 에너지를 방출한다고 제안한다. 이 에너지 방출률은 국소적 허블 상수와 그 유대 에너지에 비례하며, 하드론은 어림잡아 어두운 물질의 상당한 비율을 설명할 수 있을 정도로 상당한 시간적 통합 에너지를 방출한다.

ABSTRACT

Bound quantum mechanical systems not expanding with the comoving frame of an expanding, flat FRW metric are found to release energy at a rate linearly proportional to the local Hubble constant ($H_{o}$) and the systems' binding energy ($E_{b}$); {\em i.e.}, $\dot{E} = H_{o} E_{b}$. Three exemplary quantum systems are examined. For systems with early cosmological condensation times | notably hadrons | time-integrated energy release could have been significant and could account for an appreciable fraction of the dark matter inventory.

연구 동기 및 목표

• 공동 운동 FRW 메트릭과 함께 팽창하지 않는 경계가 있는 양자 시스템으로부터의 에너지 방출을 조사한다.
• 양자 척도에서의 메트릭 팽창이 감지 가능한 에너지 방출로 이어질 수 있는지 탐색한다.
• 초기 응집된 시스템, 예를 들어 하드론과 같은 시스템의 시간적 통합 MCE가 어두운 물질에 기여할 수 있는지 평가한다.
• 팽창 우주에서의 전반적 에너지 보존에 대한 함의를 검토한다.

제안 방법

• 모든 중력적으로 고전적인 척도 길이에서 메트릭 팽창이 일어난다고 가정하며, 플랑크 척도까지 확장된다.
• 경계 시스템을 공동 운동 프레임에서는 수축하는 것으로 모델링하지만, 고유 프레임에서는 공간적으로 안정된 상태를 유지한다.
• 허블 파라미터와 유대 에너지를 사용하여순간적인 MCE 방출률 ḊE = H₀E_b로 유도한다.
• H(t) = α/t를 사용하여 우주론적 시스템에 시간적 통합 MCE를 적용하며, α = 1/2(복사 시대) 및 α = 2/3(물질 시대)로 설정한다.
• 일정한 유대 에너지를 가정하여, 응집 시간 t_c부터 현재까지의 총 MCE를 ∫(H₀E_b)dt로 계산한다.
• 유대 에너지와 응집 시간에 따라 하드론, 원자핵, 원자, 분자에 대한 MCE 기여도를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 팽창하는 FRW 메트릭 내의 경계가 있는 양자 시스템이 메트릭 수축으로 인해 에너지를 방출할 수 있는가?
• RQ2 하드론과 같은 초기 응집 시스템의 에너지 방출률과 총 에너지 방출(MCE)은 얼마인가?
• RQ3 우주의 진화 동안 하드론이 방출한 시간적 통합 MCE가 어두운 물질의 상당한 비율을 차지하는가?
• RQ4 이 MCE 모델은 천체우주학적 전반적 에너지 보존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 MCE의 에너지 원천은 우주의 팽창, 어두운 에너지, 또는 다른 에너지 저장소와 관련이 있는가?

주요 결과

• 순간적인 에너지 방출률(MCE)은 국소적 허블 상수와 시스템의 유대 에너지에 선형 비례한다: ḊE = H₀E_b.
• 초기 응집된 하드론(t_c ≈ 10⁻⁴ s)은 응집 이래로 시간적 통합 MCE가 현재의 유계 질량-에너지의 약 3배로 추정된다.
• 쿼크-하드론 전이 근처의 열적 효과를 고려하면, 총 MCE는 유계 질량-에너지의 최대 10배까지 도달했을 수 있다.
• 핵, 원자, 분자의 시스템은 낮은 유대 에너지와 늦은 응집 시간으로 인해 MCE에 상당히 기여하지 못한다.
• 이 모델은 메트릭 팽창과 관련된 연속적인 과정으로서, 양자 척도에서도 MCE 방출이 일어날 수 있음을 시사한다.
• MCE의 에너지 원천은 모호한 상태이다—우주의 팽창 또는 어두운 에너지와 관련되어 있을 수 있지만, 전반적 에너지 보존은 이 모델에서 가정하지 않는다.