[论文解读] Brane Gas Cosmology and Loitering

Damien A. Easson|ArXiv.org|Nov 6, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用 10

一句话总结

本文提出膜气体宇宙学（BGC）作为标准大爆炸模型的动态替代方案，其中在9+1维环面宇宙中，一个高温高密度的p-膜气体通过T对偶性和绕数模式湮灭演化，形成3+1维时空。关键结果是：由于绕数模式导致的缓缩阶段（loitering）无需暴胀即可解决视界问题和膜问题。

ABSTRACT

In Brane Gas Cosmology (BGC) the initial state of the universe is taken to be small, dense and hot, with all fundamental degrees of freedom near thermal equilibrium. This starting point is in close analogy with the Standard Big Bang (SBB) model. In the simplest example, the topology of the universe is assumed to be toroidal in all nine spatial dimensions and is filled with a gas of $p$-branes. The dynamics of winding modes allow, at most, three spatial dimensions to become large, providing a possible explanation to the origin of our macroscopic (3+1)-dimensional universe. Specific solutions are found within the model that exhibit loitering, i.e. the universe experiences a short phase of slow contraction during which the Hubble radius grows larger than the physical extent of the universe. This phase is studied by combining the dilaton gravity background equations of motion with equations that determine the annihilation of string winding modes into string loops. Loitering provides a solution to the brane problem (generalised domain wall problem) in BGC and the horizon problem of the SBB scenario. In BGC the initial singularity problem of the SBB scenario is solved, without relying on an inflationary phase due to the presence of the T-duality symmetry in the theory.

研究动机与目标

• 通过动态解释为何仅三个空间维度变得宏观，来解决弦理论中的维度问题。
• 在不引入暴胀的前提下，解决标准大爆炸模型的初始奇点和视界问题。
• 提供一个根植于弦理论动力学而非人择或人为紧化假设的宇宙学框架。
• 探讨在环面紧化中p-膜的绕数模式如何导致维度去紧化。
• 研究T对偶性和标量场引力在避免奇点和实现非奇初始态中的作用。

提出的方法

• 假设所有九个空间维度具有环面拓扑，并在IIA型弦理论中引入p-膜气体。
• 应用T对偶性对称性，通过将小紧化映射为大紧化，确保初始奇点的消失。
• 从与膜气体系统耦合的标量场引力推导背景运动方程。
• 将绕数与反绕数模式湮灭为弦环作为关键动力学过程进行建模。
• 分析宇宙因持续存在的绕数模式而经历缓慢收缩阶段（即缓缩阶段）的解。
• 使用相空间分析，识别导致缓缩并随后膨胀的热力学允许初始条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 弦理论中的动力学机制能否解释为何仅三个空间维度变得宏观？
• RQ2 缓缩阶段——由绕数模式引起的缓慢收缩——如何在不依赖暴胀的情况下解决视界问题？
• RQ3 T对偶性在避免宇宙学模型中的初始奇点方面发挥什么作用？
• RQ4 绕数模式湮灭与标量场动力学如何与质量生成及T对偶性破缺相关联？
• RQ5 在膜气体宇宙学中，是否可通过缓缩阶段解决膜问题（持续存在的绕数模式）？

主要发现

• 当绕数模式持续存在并导致缓慢收缩阶段时，缓缩现象发生，此时哈勃半径变得大于宇宙的物理尺寸。
• 缓缩阶段通过在膨胀恢复前允许大尺度范围内的因果通信，为视界问题提供了有效解决方案。
• 绕数模式湮灭导致物质产生，并触发新的膨胀阶段，自然解释了3+1维宇宙的出现。
• 该模型通过利用T对偶性对称性避免了标准大爆炸的初始奇点，该对称性将小而炽热的初始状态映射为大而冷的对偶状态。
• 宏观空间维度的数量由仅在3+1维中绕数模式可自湮灭的条件决定，从而动态选择出我们观测到的时空。
• T对偶性对称性的破缺被假定与绕数模式的消失同时发生，可能还与标量场质量生成及超对称性破缺有关。