[论文解读] Energy Emission by Quantum Systems in an Expanding FRW Metric

Daniel P. Sheehan, V. Kriss|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文提出，在膨胀的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙中，束缚量子系统会以与局部哈勃常数及束缚能成正比的速率发射能量——称为度规收缩能（MCE），其中强子释放出可观测的累积能量，可能解释暗物质的显著部分。

ABSTRACT

Bound quantum mechanical systems not expanding with the comoving frame of an expanding, flat FRW metric are found to release energy at a rate linearly proportional to the local Hubble constant ($H_{o}$) and the systems' binding energy ($E_{b}$); {\em i.e.}, $\dot{E} = H_{o} E_{b}$. Three exemplary quantum systems are examined. For systems with early cosmological condensation times | notably hadrons | time-integrated energy release could have been significant and could account for an appreciable fraction of the dark matter inventory.

研究动机与目标

• 研究不随共动FRW度规膨胀的束缚量子系统所发射的能量。
• 探讨在量子尺度上度规膨胀是否会导致可探测的能量释放。
• 评估早期凝聚系统（如强子）在时间上积分的MCE是否可能对暗物质有贡献。
• 考察该模型对膨胀宇宙中全局能量守恒的影响。

提出的方法

• 假设度规膨胀发生在所有引力经典尺度长度上，直至普朗克尺度。
• 将束缚系统建模为在共动参考系中收缩，但在其本征参考系中保持空间稳定。
• 通过哈勃参数和束缚能推导出瞬时MCE发射速率：ḊE = H₀E_b。
• 使用H(t) = α/t对宇宙学系统应用时间积分的MCE，其中α = 1/2（辐射主导时代）和α = 2/3（物质主导时代）。
• 通过∫(H₀E_b)dt计算从凝聚时刻t_c到现在的总MCE，假设束缚能恒定。
• 基于束缚能和凝聚时间，比较强子、原子核、原子和分子对MCE的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在膨胀的FRW度规中，束缚量子系统是否能因度规收缩而发射能量？
• RQ2 早期凝聚系统（如强子）的能量发射速率和总能量发射（MCE）是多少？
• RQ3 在宇宙演化过程中，强子时间积分的MCE是否可解释为暗物质的显著部分？
• RQ4 该MCE模型如何影响宇宙学中的全局能量守恒？
• RQ5 MCE的能量来源是否与宇宙膨胀、暗能量或其他能量库有关？

主要发现

• 能量发射的瞬时速率（MCE）与局部哈勃常数及系统束缚能成线性正比：ḊE = H₀E_b。
• 对于早期凝聚的强子（t_c ≈ 10⁻⁴ s），自凝聚以来的时间积分MCE估计约为当前宇宙重子质量能量的三倍。
• 若考虑夸克-强子相变附近的热效应，总MCE可能高达重子质量能量的十倍。
• 由于束缚能较低且凝聚时间较晚，原子核、原子和分子系统对MCE的贡献显著较小。
• 该模型表明，MCE发射是与度规膨胀相关的持续过程，即使在量子尺度上亦然。
• MCE的能量来源尚不明确——可能与宇宙膨胀或暗能量有关——但该模型未假设全局能量守恒。