[论文解读] Cosmological expansion and contraction from Pauli exclusion principle in $M0$-branes

Alireza Sepehri, Ahmed Farag Ali+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2016

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 41被引用 3

一句话总结

该论文提出，宇宙的膨胀与收缩源于M0-brane系统中泡利不相容原理的作用，这些M0-brane形成M1-brane对，导致对称性破缺并涌现出引力。由于自旋相关曲率（反平行自旋与平行自旋）导致体和边界之间自由度的不平衡，紧化后产生有效排斥引力，进而在M3-brane上诱导出循环宇宙动力学。

ABSTRACT

We show that the Pauli exclusion principle in a system of $M0$-branes can give rise to the expansion and contraction of the universe which is located on an $M3$-brane. We start with a system of $M0$-branes with high symmetry, which join mutually and form pairs of $M1$-anti-$M1$-branes. The resulting symmetry breaking creates gauge fields that live on the $M1$-branes and play the role of graviton tensor modes, which induce an attractive force between the $M1$ and anti-$M1$ branes. Consequently, the gauge fields that live on the $M1$-branes, and the scalar fields which are attached symmetrically to all parts of these branes, decay to fermions that attach anti-symmetrically to the upper and lower parts of the branes, and hence the Pauli exclusion principle emerges. By closing $M1$-branes mutually, the curvatures produced by parallel spins will be different from the curvatures produced by anti-parallel spins, and this leads to an inequality between the number of degrees of freedom on the boundary surface and the number of degrees of freedom in the bulk region. This behavior is inherited in the $M3$-brane on which the universe is located, and hence this leads to the emergence of the universe expansion and contraction. In this sense, the Pauli exclusion principle rules the cosmic dynamics.

研究动机与目标

• 在膜宇宙学框架内解释宇宙膨胀与收缩的起源。
• 将泡利不相容原理与M理论中涌现引力动力学联系起来。
• 展示M0-brane系统中的对称性破缺如何导致M1-brane上的规范场与费米子激发。
• 将体与边界之间自由度的差异与Padmanabhan机制对宇宙动力学的实现联系起来。
• 推导出一种膜作用量，其中通过自旋相关曲率项的紧化使引力符号反转。

提出的方法

• 从M0-brane的高对称性系统出发，模型考虑其结合为M1-反M1-brane对。
• 对称性破缺在M1-brane上生成规范场，这些规范场作为引力子张量模式，介导吸引力。
• 标量场与规范场衰变为费米子，以反对称方式附着于M1-brane的上下部分，强制实现泡利不相容。
• 该模型区分平行自旋与反平行自旋的曲率贡献，导致体与边界之间自由度不均等。
• 推导出紧化Mp-brane的拉格朗日量，其中项对自旋取向与引力子质量敏感。
• 总作用量由M1-brane上自由与束缚费米子的曲率之和构成，表明在紧化下引力符号发生反转。

实验结果

研究问题

• RQ1 泡利不相容原理如何从M理论中的膜动力学中涌现？
• RQ2 自旋构型（平行与反平行）在生成曲率不平衡中起什么作用？
• RQ3 M1-brane的紧化如何导致引力行为的符号反转？
• RQ4 体与边界之间自由度的差异能否解释宇宙的膨胀与收缩？
• RQ5 Padmanabhan机制的宇宙动力学如何通过M-brane系统实现？

主要发现

• 泡利不相容原理在M0-brane结合后，通过M1-brane上费米子的反对称附着而涌现。
• 反平行自旋产生的曲率与平行自旋不同，导致体与边界之间自由度的不平衡。
• M1-brane的紧化导致有效引力符号反转，产生排斥力并促使膜分离。
• 推导出的Mp-brane作用量明确显示，曲率项依赖于自旋取向与引力子质量。
• 由于自旋相关曲率差异导致的引力交替吸引与排斥，该模型在M3-brane上实现了循环宇宙动力学。
• 拉格朗日量（D.7）确认，紧化后引力从吸引变为排斥，其驱动力来自自旋相关曲率项。