[論文レビュー] Constructing a Robust Universe with Attraction-Repulsion Coupling and Energy Conservation

Ti-Pei Li|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、宇宙がエネルギー保存則を満たす引力・反発力のバランス状態である真空状態から生じる、画期的な宇宙論的モデルを提案する。このモデルは、真空エネルギーの大きさを直接必要としないため、宇宙定数問題を解消する。加速膨張を説明でき、特異点を回避し、反発的および引力的場の動的結合によって、今日の物質とダークエネルギーのエネルギー密度の類似性を自然に説明する。

ABSTRACT

The discovery of accelerated cosmic expansion implies that, in addition to the attractive gravity of matter, there exists in our universe some other form of energy (dark energy or cosmological constant) producing a repulsive force. The natural interpretation of dark energy is the vacuum energy. However, the density of vacuum energy expected by the quantum field theory is 120 orders of magnitude larger than what is allowed by cosmological observations, which is called the cosmological constant problem and remains one of the most significant unsolved problems in fundamental physics. Here we show that the huge discrepancy can be resolved by assuming that our universe is an attraction-repulsion coupled system with energy conservation, and that the pre-inflation vacuum is in equilibrium between attraction and repulsion (in flat Minkowski spacetime, not de Sitter or anti de Sitter). The attraction-repulsion coupling picture can also easily explain why both kinds of energy in our universe have similar magnitude today, and avoid singularity problems in general relativity and cosmology.

研究の動機と目的

• 量子場理論が予測する真空エネルギーが観測値よりも120桁も大きいという宇宙定数問題に対処する。
• 観測された小さなダークエネルギー密度と、量子場理論が予測する大きな真空エネルギーとの間の矛盾を解消する。
• 基本的な宇宙定数を導入することなく、反発的および引力的場の動的結合によって宇宙の加速膨張を説明するメカニズムを提供する。
• 一般相対性理論および宇宙論における特異点を排除し、ビッグバン特異点を、バランスの取れた平坦な前インフレーション真空状態に置き換える。
• エネルギー保存則と場の結合を通じて、今日の物質とダークエネルギーのエネルギー密度がほぼ等しいという観測事実を説明する。

提案手法

• 前インフレーション真空状態におけるアインシュタイン場方程式に、独立した二つの宇宙定数 $\Lambda_r$（反発）および $\Lambda_a$（引力）を導入する：$G_{\mu\nu} + (\Lambda_r - \Lambda_a)g_{\mu\nu} = 0$。
• 前インフレーション段階では $\Lambda_r = \Lambda_a$ を仮定し、ネットゼロの宇宙定数とし、エネルギー交換がバランスの取れた静的で平坦な時空を実現する。
• インフレーションを、局所的フラクチュエーションによって一時的にバランスが破られ、$\Lambda_r \gg \Lambda_a$ となる段階遷移としてモデル化する。
• インフレーション後には、引力的場のエネルギーがエネルギー運動量テンソル $T_{\mu\nu}$ に移行し、反発的場のエネルギーは時間に依存するパラメータ $\lambda(t) = \Lambda_r / a(t)^3$ を介して進化する。
• 宇宙の進化に伴い、反発的場と引力的場の間で束縛エネルギーが変換されることを追跡することで、全エネルギー保存を強制する。
• インフレーション後の時代には、$\lambda(t)$ がエネルギー保存に適合するように動的に調整される、ルメール・ライクな場方程式 $G_{\mu\nu} = 8\pi G T_{\mu\nu} - \lambda g_{\mu\nu}$ を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空エネルギーの微調整を必要とせず、宇宙定数問題をどのように解消できるか？
• RQ2 インフレーションと構造形成を可能にしつつ、ビッグバン特異点を回避できるメカニズムは何か？
• RQ3 今日の物質とダークエネルギーのエネルギー密度がほぼ同じ大きさを示す理由は何か？これはエネルギー保存則と結合場系による説明が可能か？
• RQ4 de Sitter や反de Sitter幾何学を必要とせず、安定で平坦で静的であるような前インフレーション真空状態が存在可能か？
• RQ5 この結合場フレームワークにおいて、基本的力の起源と宇宙の巨大数の意味は何か？

主な発見

• 前インフレーション真空状態は、$\Lambda_r = \Lambda_a$ であり、ゼロのネット宇宙定数を有する静的で平坦な時空であり、de Sitter や反de Sitter幾何学を回避する。
• 宇宙定数問題が解消されるのは、巨大な量子真空エネルギーが直接観測されないためであり、代わりに等しく反対の引力的場エネルギーによってバランスが取られているからである。
• インフレーションは、$\Lambda_r = \Lambda_a$ のバランスが局所的フラクチュエーションによって破れることで誘発され、一時的な指数的膨張段階に至る。
• ダークエネルギーパラメータは $\lambda(t) = \Lambda_r / a(t)^3$ として進化し、前インフレーションから後インフレーション宇宙への移行においてエネルギー保存が保たれる。
• 今日の物質とダークエネルギーのエネルギー密度の観測的類似性は、二つの場のエネルギー保存と結合によって自然に生じる。
• このモデルは、異なる初期パラメータを持つ元の真空から独立して生成された領域として、並行宇宙の存在を予測するが、永遠のインフレーションを必要としない。