[论文解读] Towards a unified quantum field theory of dark energy and inflation: unstable de Sitter vacuum and running vacuum

Joan Solà Peracaula, Alex González-Fuentes+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2026

Cosmology and Gravitation Theories被引用 0

一句话总结

该论文通过运行真空和不稳定的 de Sitter 衰变，提出一个统一的量子场论框架来描述通胀与动态暗能量，并利用离壳准adiabatic重整化来比较机制及其晚期含义。

ABSTRACT

Inflation is a necessary cosmic mechanism to cure basic inconsistencies of the standard model of cosmology. These problems are usually `fixed' by postulating the existence of a scalar field (called the ``inflaton''). However, other less ad hoc options are possible. In the running vacuum model (RVM) framework, the vacuum energy density (VED) is a function of the Hubble rate $H$ and its time derivatives: $ρ_{ m vac}=ρ_{ m vac}(H, \dot{H},\ddot{H},\dots)$. In this context, the VED is dynamical (there is no rigid cosmological constant $Λ$). In the FLRW epoch, $ρ_{ m vac}$ evolves very slowly with expansion, as befits the observed $Λ\simeq$const. behavior. In contrast, in the very early universe the vacuum fluctuations induce higher powers $H^N$ capable of unleashing fast inflation in a short period in which $H\simeq$ const. We call this mechanism `RVM-inflation'. It does not require an inflaton field since inflation is brought about by pure quantum field theory (QFT) effects on the dynamical background. It is different from Starobinsky's inflation, in which $H$ is never constant. In this work, we study a closely related scenario: the decay of the exact de Sitter vacuum into FLRW spacetime in its radiation epoch and the subsequent impact on the current universe, and compare with the RVM. We find that in both cases inflation is driven by $H^4$ powers together with subleading contributions of order $H^2$ that ease a graceful-exit transition into the radiation-dominated epoch, where the FLRW regime starts and ultimately develops a mildly evolving VED in the late universe: $δρ_{ m vac}\sim {\cal O}(m_{ m Pl} ^2 H^2)$. The net outcome is an unified QFT approach to inflation and dark energy (conceived as dynamical vacuum energy) with potentially measurable phenomenological consequences in the present universe which can help cure the cosmological tensions.

研究动机与目标

• 提出一个动态真空能量框架来解决通胀与暗能量问题，而无需附加的场（如入胀子或拟场）。
• 研究两种基于量子场论的通胀情景——RVM（运行真空能量）与不稳定 de Sitter 衰变为辐射，并分析它们对宇宙学演化的影响。
• 使用离壳准adiabatic（WKB）重整化来推导能量-动量张量，并得到随 H 变化的动态真空能量密度。
• 展示在两种情景下以 H^4 主导的通胀如何优雅地退出并进入辐射时期，以及对晚期演化的轻微演化的 VED 的结果。

提出的方法

• 在 FLRW 时空中对一个非最小耦合标量场进行量子化，并计算零点能量（ZPE）。
• 通过离壳准adiabatic（WKB）展开对 EMT 进行重整化，以获得随 H 变化的有限 VED。
• 分析精确的 de Sitter 模态函数，并通过重整化的 ZPE 与 VED 与 RVM 结果进行比较。
• 推导并求解宇宙学方程以研究 H^4 通胀及其向辐射的转变。
• 研究晚期表型学，包括对 ρ_vac 的轻微 H^2 源项修正以及潜在的拟正/拟负性行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 RVM 或不稳定 de Sitter 框架中，是否可以通过量子效应的 H^4 项在没有入胀子场的情况下驱动通胀？
• RQ2 在早期和晚期宇宙学中，随哈勃率的变化，重整化的真空能密度如何演化？
• RQ3 H^4 通胀情景是否自然地提供进入辐射支配时期的优雅退出？
• RQ4 动态 ρ_vac 对当前宇宙学及宇宙学紧张（tensions）有哪些表型后果？

主要发现

• 在 RVM 与不稳定 de Sitter 衰变为辐射的情景中，通胀由 H^4 次幂驱动。
• 次级的 H^2 项有助于实现向辐射主导时期的优雅退出。
• 晚期真空能量以 δρ_vac ~ O(m_Pl^2 H^2) 的轻微演化为特征，表明存在动态的 DE 而非固定 Λ。
• 存在一个统一的量子场论视角将早期宇宙的通胀与当前的动态 DE 联系起来。
• 该框架允许从量子真空效应实现的准拟正/拟负行为。
• 潜在的表型后果包括通过运行 vacuum 动力学来缓解宇宙学紧张问题。