[논문 리뷰] On the quantitative calculation of the cosmological constant of the quantum vacuum

Hongwei Xiong|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 우주의 파동함수를 다양한 우주상수를 가진 상태들의 중첩으로 묘사하는 양자 우주론적 모델을 제안한다. 이는 진공 양자 변동과 준열평형 상태에서 기인한다. 에버렛의 상대적 상태 공식과 밀도 행렬 형식을 사용하여, 암흑 에너지 밀도의 이론적 값 ΩΛ ≈ 68.85%를 도출한다. 이는 관측된 68.5%와 놀랍게 유사하며, 적합 매개변수 없이 도출되었다.

ABSTRACT

It is widely believed that as one of the candidates for dark energy, the cosmological constant should relate directly with the quantum vacuum. Despite decades of theoretical effects, however, there is still no quantitative interpretation of the observed cosmological constant. In this work, we consider the quantum state of the whole universe including the quantum vacuum. Everett's relative-state formulation, vacuum quantum fluctuations and the validity of Einstein's field equation at macroscopic scales imply that our universe wave function might be a superposition of states with different cosmological constants. In the density matrix formulation of this quantum universe, the quasi-thermal equilibrium state is described by a specific cosmological constant with the maximum probability. Without any fitting parameter, the ratio between the vacuum energy density due to the cosmological constant (dark energy) and the critical density of the universe is 68.85% based on simple equations in our theoretic model, which agrees very well with the best current astronomical observations of 68.5%.

연구 동기 및 목표

• 암흑 에너지의 정밀조정 문제와 동시성 문제를 해결하기 위해, 우주상수에 대한 정량적 양자역학적 설명을 제공하는 것.
• 우주의 파동함수를 양자 진공을 포함하도록 확장하여, 다양한 우주상수를 가진 상태들의 중첩으로 간주하는 것.
• 양자 진공과 물질/복사 성분 간의 준열평형 원리를 사용하여 우주상수를 유도하는 것.
• 현재 천문 관측 결과와 일치하는 매개변수 없는 암흑 에너지 밀도 비율 예측을 달성하는 것.

제안 방법

• 에버렛의 상대적 상태 공식을 채택하여, 우주를 다양한 우주상수를 가진 상태들의 양자 중첩으로 묘사하는 것.
• 진공 에너지 변동을 사용하여 양자 진공을 모델링하고, 진공 간 상관관계로 인한 자발적 대칭 붕괴를 가정하는 것.
• 우주의 통계적 상태를 묘사하기 위해 양자 우주에 대한 밀도 행렬을 구성하는 것.
• 양자 진공과 물질/복사 간의 준열평형 조건을 적용하여 가장 가능성이 높은 우주상수를 결정하는 것.
• 진공, 물질, 복사 간의 에너지 밀도 균형을 사용하여 암흑 에너지 비율 ΩΛ를 수치적으로 계산하는 것.
• 낮은 적색편이에서 복사 기여를 무시하여, 물질과 진공 에너지 지배를 중심으로 계산을 단순화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적합 매개변수 없이, 양자 진공 변동에서 우주상수를 정량적으로 도출할 수 있는가?
• RQ2 우주의 파동함수에 포함된 우주상수 상태들의 중첩이 관측된 암흑 에너지 밀도에 대해 선호되는 값을 어떻게 도출하는가?
• RQ3 양자 진공과 물질/복사 간의 준열평형이 가장 가능성이 높은 우주상수를 선택하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 이론적 예측 값 ΩΛ ≈ 68.85%가 관측된 값 68.5%와 놀랍게 유사한가?
• RQ5 초기 양자 진공 상태는 어떻게 안정된 관측 가능한 암흑 에너지 비율을 가진 우주로 진화하는가?

주요 결과

• 모델은 암흑 에너지 밀도 비율 ΩΛ ≈ 68.85%를 예측하며, 천문 관측 자료에서 얻은 관측값 68.5%와 뛰어난 일치를 보인다.
• 적합 매개변수 없이 도출되었기에 현재 관측 결과와 강력한 이론적 일관성을 보인다.
• 최대 가능성이 높은 우주상수는 양자 진공과 우주의 물질 구성 요소 간의 준열평형 조건에서 유래된다.
• 진공 간 상호작용 상관관계로 인해 진공 에너지 변동이 억제되어 플랑크 스케일에서의 발산 에너지 스케일 문제를 해결한다.
• 유도된 값의 보편성으로 인해 암흑 에너지 비율은 에너지 밀도가 변화함에도 불구하고 우주의 시간에 걸쳐 일정하게 유지됨을 시사한다.
• 초기 양자 진공 상태는 인플레이션 단계를 거쳐 준열평형 단계로 진화하며, 이는 관측 가능한 천체 구조와 암흑 에너지 지배를 초래한다.