[论文解读] Cosmological Consequences of Anti-gravitation

Sabine Hossenfelder|ArXiv.org|May 12, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文通过在一般坐标变换下引入场的对偶表示，对广义相对论进行修改，提出了一种包含反引力物质的宇宙学模型——即具有负引力应力-能量但正动能的粒子。该研究推导出修改后的弗里德曼方程，表明反引力辐射在宇宙膨胀过程中稀释最慢，并发现当能量密度达到普朗克尺度时，物质之间的相互作用可导致循环宇宙，经历周期性的收缩与膨胀，从而提出一种避免初始奇点的新机制。

ABSTRACT

The dynamics of a universe with an anti-gravitating contribution to the matter content is examined. The modified Friedmann equations are derived, and it is shown that anti-gravitating radiation is the slowest component to dilute when the universe expands. Assuming an interaction between both kinds of matter which becomes important at Planckian densities, it is found that the universe undergoes a periodic cycle of contraction and expansion. Furthermore, the possibility of energy loss in our universe through separation of both types of matter is discussed.

研究动机与目标

• 研究引入具有负引力应力-能量但正动能的反引力物质对宇宙学的影响。
• 推导包含引力物质与反引力物质的宇宙的修改后弗里德曼方程。
• 研究弗里德曼-罗伯逊-沃尔克时空中两类物质的测地线与哈勃定律的动力学行为。
• 探讨在高密度下两类物质之间的相互作用是否可能驱动循环宇宙演化。
• 评估由于物质类型在额外维度中分离而导致能量损失的可能性。

提出的方法

• 通过一般坐标变换下场的对偶表示引入反引力物质，其方法与标准洛伦兹变换不同。
• 通过修改的协变导数和运动方程定义反引力粒子，即使引力应力-能量为负，仍保持正动能。
• 通过将反引力辐射纳入弗里德曼-罗伯逊-沃尔克度规的能量-动量张量，推导出修改后的弗里德曼方程。
• 在弗里德曼-罗伯逊-沃尔克背景中求解两类物质的测地线方程，以确定哈勃定律与膨胀动力学。
• 假设当能量密度达到普朗克尺度时，两类物质之间的相互作用变得显著，从而实现循环演化。
• 考虑一种情形：两类物质在额外维度的子流形上发生分离，影响能量守恒。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含具有负引力应力-能量但正动能的反引力物质，如何影响宇宙的演化？
• RQ2 在同时包含引力物质与反引力物质的宇宙中，修改后的弗里德曼方程是什么？
• RQ3 与其它组分相比，反引力辐射在宇宙膨胀过程中如何表现？
• RQ4 在普朗克尺度能量密度下，相互作用是否可导致具有交替收缩与膨胀阶段的循环宇宙？
• RQ5 由于引力物质与反引力物质在高维子流形上分离，我们的宇宙中是否可能发生能量损失？

主要发现

• 由于在修改后的弗里德曼方程中具有独特的标度行为，反引力辐射是宇宙膨胀过程中稀释最慢的组分。
• 修改后的弗里德曼方程在两类物质相互作用于普朗克尺度能量密度时，预测宇宙将呈现循环演化。
• 该循环包括加速膨胀阶段，暗示了一种避免初始奇点的机制。
• 由于动能保持正值，即使引力应力-能量为负，该理论也避免了真空涨落引起的不稳定性。
• 若引力物质与反引力物质在额外维度的子流形上发生分离，如模型扩展所建议，我们的宇宙中可能发生能量损失。
• 推导出反引力粒子在弗里德曼-罗伯逊-沃尔克度规与史瓦西度规中的克里斯托费尔符号，表明其动力学行为与标准粒子明显不同。