[논문 리뷰] Variable Speed of Light Cosmology: An Alternative to Inflation

J. W. Moffat|ArXiv.org|2002. 08. 16.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 4인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션의 타당한 대안으로서 변하는 빛의 속도(VSL) 우주론을 제안한다. 초기 우주에서 국소 로렌츠 불변성의 자발적 위반은 빛의 속도를 약 30개 주자 정도 감소시키는 상전이를 유도한다. 이 모델은 반고전적 양자장 이론을 통해 스케일 불변이고 등온적인 초기 우주 변동 스펙트럼을 계산할 수 있게 하여, 정교하게 조정된 잠재력이나 큰 초기 진공 에너지를 요구하지 않으면서도 CMB의 주요 특징을 성공적으로 재현한다.

ABSTRACT

It is generally believed that inflationary cosmology explains the isotropy, large scale homogeneity and flatness as well as predicting the deviations from homogeneity of our universe. We show that this is not the only cosmology which can explain successfully these features of the universe. We consider anew and modify a model in which local Lorentz invariance is spontaneously broken in the very early universe, and in this epoch the speed of light undergoes a first or second order phase transition to a value ~ 30 orders of magnitude smaller, corresponding to the presently measured speed of light. Before the phase transition at a time t ~ t_c, the entropy of the universe is reduced by many orders of magnitude, allowing for a semiclassical quantum field theory calculation of a scale invariant fluctuation spectrum. After the phase transition has occurred, the radiation density and the entropy of the universe increase hugely and the increase in the entropy follows the arrow of time determined by the spontaneously broken direction of the vev _0. This solves the enigma of the arrow of time and the second law of thermodynamics. A new calculation of the primordial Gaussian and adiabatic fluctuation spectrum is carried out, leading to a scale invariant scalar component of the power spectrum. We argue that there are several attractive features of VSL theory compared to standard inflationary theory, and that it provides an alternative cosmology with potentially different predictions.

연구 동기 및 목표

• 우주론의 초기 조건 문제—수평성 문제, 평탄성 문제, 엔트로피 문제—을 인플레이션에 의존하지 않고 해결하고자 한다.
• 초기 우주에서 자발적 로렌츠 대칭 위반이 일어나는 변하는 빛의 속도(VSL) 우주론이 관측된 스케일 불변 초기 변동 스펙트럼을 재현할 수 있는지 탐구하고자 한다.
• 로렌츠 불변성의 자발적 위반에 뿌리를 두고 있는 시간의 화살표와 열역학적 비가역성의 메커니즘을 제공하고자 한다.
• 초기 우주 모델에서 정교하게 조정된 인플라톤 잠재력과 큰 진공 에너지가 반드시 필요하다는 것을 도전하고자 한다.
• 테스트 가능한 인플레이션의 대안을 제안하며, 특히 텐서 모드와 중력파에 대해 다를 수 있는 예측을 제공하고자 한다.

제안 방법

• 초기 우주에서 국소 로렌츠 불변성을 자발적으로 위반하는 비제로 진공 기대값(vev)을 가진 벡터 장을 도입한다.
• 임계 온도 Tc에서 일계 또는 이계 상전이를 모델링하여 빛의 속도를 약 30개 주자 정도 감소시킨다.
• 낮은 c 속도의 빛에서의 초기 변동 스펙트럼을 계산하기 위해 반고전적 양자장 이론 프레임워크를 사용한다.
• CMB 관측과 일치하는 스케일 불변이고 등온적인 스칼라 스펙트럼을 유도한다.
• 속도의 빛 상전이를 기술하기 위해 임계 현상에 유사한 효과적 장 이론을 구성한다.
• VSL 모델의 예측을 인플레이션 모델과 비교하며, 특히 스펙트럼의 텐서(중력파) 성분에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변하는 빛의 속도 우주론은 인플레이션 없이도 관측된 대규모 균일성, 등방성, 평탄성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 초기 우주에서의 자발적 로렌츠 대칭 위반은 시간의 화살표와 열역학 제2법칙의 자연스러운 기원을 제공하는가?
• RQ3 반고전적 양자장 이론을 사용하여 VSL 프레임워크에서 스케일 불변 초기 변동 스펙트럼을 도출할 수 있는가?
• RQ4 VSL 모델은 인플레이션 잠재력과 초기 진공 에너지와 관련된 정교한 조정 문제를 어떻게 피하는가?
• RQ5 VSL과 인플레이션 간의 관측적 차이, 특히 초기 스펙트럼의 텐서(중력파) 성분에서 어떤 것이 있는가?

주요 결과

• VSL 모델은 낮은 c 속도 단계에서 반고전적 양자장 이론 계산을 통해 스케일 불변이고 등온적인 스칼라 스펙트럼을 성공적으로 생성한다.
• 빛의 속도 상전이로 인해 초기 우주의 엔트로피가 감소하여 고에너지 밀도 조건에서도 일관된 양자장 이론 계산이 가능해진다.
• 시간의 화살표는 벡터 장의 진공 기대값의 방향에서 자연스럽게 유도되며, 이는 열역학적 시간의 화살표 문제를 해결한다.
• 모델은 비현실적으로 평탄한 인플라톤 잠재력이 필요로 하지 않으며, 표준 인플레이션과 달리 큰 초기 진공 에너지도 필요로 하지 않는다.
• VSL 모델은 인플레이션과 다른 텐서 모드 스펙트럼을 예측하여, 향후 CMB 및 중력파 관측을 통해 테스트 가능한 차이를 제공한다.
• 빛의 속도 상전이에 대한 효과적 장 이론 접근은 임계 현상과 유사하여 전이에 대한 신뢰할 수 있는 물리적 메커니즘을 제공한다.