[논문 리뷰] Spatial correlations of energy density fluctuations in the fundamental state of the universe

David H. Oaknin|arXiv (Cornell University)|2003. 05. 08.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서의 원초적 우주론적 에너지 밀도 변동이 미ン코프스키 공간에서 양자장 이론의 기본 상태에서 관찰되는 양자 에너지 변동의 면적법칙 스케일링과 일치하는 공간적 상관성을 나타낸다고 제안한다. 이 공통의 면적 의존성은 원초적 변동이 총 에너지 변동이 없는 기본 양자 상태에서 기인할 수 있음을 시사하며, 이는 열평형 모델과 대비된다.

ABSTRACT

In a series of recent papers it has been noticed that in the ground state of a quantum field theory the variance of quantum energy fluctuations in the bulk of spatial macroscopic sub-volumes of the Minkowski space is proportional to the area of the surface that bounds the sub-volume, independently of the linear size of the considered sub-volume. I follow these results and compare them with the correlation properties in real space of the Harrison-Zeldovich spectrum that - supported by measurements of the cosmic microwave background - describes the primordial cosmological energy density fluctuations and exhibits the same area dependence. This behaviour is contrasted with the statistical properties of the anisotropies that would have been produced in a system driven to thermal equilibrium by causal interactions and it is then claimed that the spatial correlations of the primordial cosmological fluctuations over covariant scales as large as the present horizon could be related to a cosmological fundamental state wherein the total energy, therefore, does not fluctuate quantum mechanically.

연구 동기 및 목표

• 원초적 우주론적 에너지 밀도 변동의 공간적 상관 구조가 양자장 이론의 기본 상태에서 관찰되는 면적법칙 스케일링과 일치하는지 조사한다.
• 원초적 변동의 통계적 성질이 인과적 상호작용에 의해 열평형 상태에 도달한 시스템에서 기대되는 성질과 어떻게 다름을 대비한다.
• 관측된 천체망원경 배경 복사의 대규모 상관성이 총 에너지 변동이 없는 기본 양자 상태에서 기인할 수 있음을 탐색한다.
• 미ン코프스키 공간에서의 양자장 이론과 원초적 변동의 하리슨-젤도비치 스펙트럼 간의 이론적 연결을 수립한다.

제안 방법

• 미분코프스키 공간에서 양자장 이론의 기본 상태에서 공간적 부분체적 에너지 변동의 분산을 분석한다.
• 에너지 변동 분산의 면적법칙 스케일링을 하리슨-젤도비치 스펙트럼의 공간적 상관 성질과 비교한다.
• 인과적 열화 과정에서의 변동 통계적 행동을 검토하여 원초적 상관관계의 비열적 성격을 부각한다.
• 관측된 천체망원경 배경 복사 이방성은 하리슨-젤도비치 스펙트럼의 타당성을 뒷받침하는 경험적 근거로 사용된다.
• 공변 스케일 분석을 적용하여 현재의 천체망원경 배경 복사 수축과 같은 크기의 스케일에서의 상관관계를 평가한다.
• 양자장 이론의 기본 상태 행동과 천체우주 관측 간의 일관성을 요구함으로써 우주의 양자 상태에 대한 함의를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원초적 우주론적 에너지 밀도 변동의 공간적 상관 구조는 양자장 이론의 기본 상태에서 관찰되는 양자 에너지 변동의 면적법칙 스케일링과 같은가?
• RQ2 원초적 변동의 통계적 성질은 인과적 상호작용에 의해 열화된 시스템에서 기대되는 성질과 어떻게 다름이 있는가?
• RQ3 관측된 천체망원경 배경 복사의 대규모 상관관계는 총 에너지 변동이 없는 기본 양자 상태에서 기인할 수 있는가?
• RQ4 양자장 이론과 천체우주 모델 모두에서 에너지 변동 분산의 면적 의존성은 어떤 이론적 의의를 갖는가?

주요 결과

• 미분코프스키 공간의 공간적 부분체에서의 양자 에너지 변동 분산은 부분체의 선형 크기와 무관하게 경계의 표면적과 비례한다.
• 천체망원경 배경 복사 데이터에 의해 지지되는 하리슨-젤도비치 스펙트럼의 공간적 상관 함수는 양자장 이론 기본 상태 변동과 동일한 면적 의존성을 나타낸다.
• 인과적 상호작용에 의해 열평형 상태에 도달한 변동은 동일한 면적법칙 스케일링을 보이지 않으며, 이는 원초적 상관관계의 비열적 기원을 시사한다.
• 공통된 면적법칙 행동은 원초적 우주론적 변동이 총 에너지 변동이 없는 기본 양자 상태에서 기인할 수 있음을 시사한다.
• 양자장 이론 기본 상태 행동과 천체우주 관측 간의 일관성은 양자 기초 이론과 초기 우주에서의 구조 형성 간의 깊은 연결을 암시한다.