[논문 리뷰] Gravitational forces from Bose-Einstein condensation

M. Consoli|ArXiv.org|2000. 02. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 스칼라 힉스 유사 장의 보즈아인스타인 응축에서 뉴턴역학적 중력이 기인되며, 비가속도 모드를 통해 장거리 1/r 포텐셜이 생성된다고 제안한다. 이 모드와 관성 질량의 결합은 등가원리와 계층 문제를 자연스럽게 설명하며, 하나의 중심거리 이하 및 은하계 규모에서 일반 상대성 이론의 편차를 예측한다. 이는 파이오론 애너미나 암흑물질 현상과의 가능성 있는 연관성을 포함한다.

ABSTRACT

The basic idea that gravity can be a long-wavelength effect {\it induced} by the peculiar ground state of an underlying quantum field theory leads to consider the implications of spontaneous symmetry breaking through an elementary scalar field. We point out that Bose-Einstein condensation implies the existence of long-range order and of a gap-less mode of the (singlet) Higgs-field. This gives rise to a $1/r$ potential and couples with infinitesimal strength to the inertial mass of known particles. If this is interpreted as the origin of Newtonian gravity one finds a natural solution of the hierarchy problem. As in any theory incorporating the Equivalence Principle, the classical tests in weak gravitational fields are fulfilled as in general relativity. On the other hand, our picture suggests that Einstein general relativity may represent the weak field approximation of a theory generated from flat space with a sequence of conformal transformations. This explains naturally the absence of a {\it large} cosmological constant from symmetry breaking. Finally, one also predicts new phenomena that have no counterpart in Einstein theory such as typical `fifth force' deviations below the centimeter scale or further modifications at distances $10^{17}$ cm in connection with the Pioneer anomaly and the mass discrepancy in galactic systems.

연구 동기 및 목표

• 스칼라 장 이론에서의 자발적 대칭 붕괴에서 장거리 효과로 중력이 유도될 수 있는지 탐구한다.
• 스칼라 장의 보즈아인스타인 응축이 비가속도 모드를 통해 1/r 포텐셜을 유도하는 방식을 조사한다.
• 이 메커니즘이 관성 질량과 중력 질량이 동일함을 보여주는 보편적 결합을 자연스럽게 유도함을 보여준다.
• 큰 무차원 수인 √η ∼ 10¹⁷를 통해 페르미 규모에서 플랑크 규모를 유도함으로써 계층 문제를 해결한다.
• 일반 상대성 이론을 초월한 새로운 중력 현상, 예를 들어 제5력 편차와 대규모에서의 동역학 수정을 예측한다.

제안 방법

• λΦ⁴ 이론의 자발적 대칭 붕괴 상태에서 힉스 장을 모델링하여 장거리 비가속도 진동을 식별한다.
• 단거리 상호작용을 가진 희박한 보즈 기체의 저에너지 효과 이론을 사용하여 응축체의 장거리 질서에서 1/r 포텐셜을 유도한다.
• 비가속도 모드가 에너지-모멘텀 텐서의 흔적과 결합할 때 뉴턴 포텐셜이 재현됨을 보여준다.
• 등가원리를 적용하여 고전적 약한장 테스트와의 일치성을 확보한다.
• 비균일한 피온 밀도와 천체역학적 흐름으로부터 유도된 거리 r ≳ 10¹⁷ cm에서 가변 중력상수 G를 도입한다.
• 허블 흐름과 연속적인 피온 생성을 사용하여 태양계 경계에서의 이질적 가속도를 모델링하고, 파이오론 애너미와 연관시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보즈아인스타인 응축된 스칼라 장의 비가속도 모드에서 뉴턴 1/r 중력 포텐셜이 기인할 수 있는가?
• RQ2 이 모드가 관성 질량과의 결합을 통해 등가원리를 어떻게 강제하는가?
• RQ3 이 틀에서 페르미 규모와 플랑크 규모 사이의 계층 문제의 기원은 무엇인가?
• RQ4 하나의 중심거리 이하 및 은하계 규모에서 뉴턴 중력에서의 편차는 어떻게 발생하는가?
• RQ5 파이오론 애너미는 팽창하는 우주에서 스칼라 응축 진동의 천체역학적 허블 흐름으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 1/r 뉴턴 포텐셜은 λΦ⁴ 이론의 붕괴된 상에서 보즈아인스타인 응축된 스칼라 장의 장거리 비가속도 모드로부터 자연스럽게 기인된다.
• 이 모드가 에너지-모멘텀 텐서의 흔적과 결합할 때 뉴턴 상수가 재현되며, √η ∼ 10¹⁷와 같은 큰 무차원 수를 통해 계층 문제가 해결된다.
• 짧은 거리에서 힉스 포텐셜의 수정으로 인해 1cm 이하 스케일에서 제5력 편차가 예측된다.
• 거리 r ≳ 10¹⁷ cm에서 중력상수 G는 가변적이며, 이로 인해 g ∼ 1/r 행동이 g ∼ 1/r²와 다름을 보이며, 어둠센 물질 없이도 은하 질량 불일치를 설명할 수 있다.
• 파이오론 애너미에서 관측된 이질적 가속도 g₀ ∼ 10⁻⁸ cm s⁻²는 팽창하는 우주에서 피온의 천체역학적 허블 흐름으로부터 예측된다.
• 동일한 특성 가속도 g₀ ∼ 10⁻⁸ cm s⁻²는 은하계 및 천체역학적 체계에서 나타나며, 이는 스칼라 응축체가 천체 구조 형성에 보편적인 역할을 한다는 것을 시사한다.