[论文解读] Early Universes with Effective Discrete Time

Laurent Baulieu|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文提出，宇宙暴胀的起始可能由远低于普朗克时间（~10⁻⁶⁰ s）的有效离散时间尺度触发，该尺度源于具有高达10⁶⁰ Hz频率的高能振荡引力相干态。这种离散时间或高频相干态通过引力版的施温格效应诱导强烈的真空涨落，导致普朗克尺度黑洞的成对产生，并使宇宙学常数急剧下降，从而在无需基本暴胀场的前提下引发暴胀。

ABSTRACT

The mechanism for triggering the universe inflation could be that at very early periods the time variable was discrete instead of smooth. Alternatively, and perhaps equivalently, it could be the consequence that the metrics of the early universe was a strongly concentrated gravitational coherent state with very high frequency oscillations, allowing local pair creations by a generalisation to gravity of the Schwinger mechanism, perhaps by creation of black holes of masses superior to the Planck scale. The lattice spacing between two clicks in the discrete time picture corresponds to the inverse frequency of the gravitational coherent state in the other picture. In both cases, a much lower time than the Planck time might represent a new fundamental scale, giving new type of physics. To make possible a concrete estimation of the pair production probability, we propose that the oscillating coherent state metrics that defines this very early geometry minimises the Einstein gravity action coupled to interacting 1-,2- and 3-forms. Part of our intuition relies on a condensed matter analogy with laser-induced superconductivity. An independent section suggests that the new physical time scale we introduce for the Markovian discret time of the pre-inflation epoch can be identified with the stochastic time one uses for standard quantisation in the post-inflation limit. In the pre-inflation phase its discreteness is the observable driving force for the universe evolution, while in the post inflation phase it becomes unobservable and it can can effectively replaced by the continuous time coordinate of standard quantum field theory.

研究动机与目标

• 解释标准模型中尚未阐明的宇宙暴胀物理触发机制。
• 通过引入低于普朗克时间的新物理时间尺度，解决宇宙学常数的层次问题。
• 提出一种驱动宇宙学常数从高值向低值转变的真空能量涨落机制。
• 在暴胀后时代统一离散时间动力学与随机量子化及有效场论。
• 通过马尔可夫离散时间或相干态振荡提供物理紫外截断，解决量子场论中的二次发散问题。

提出的方法

• 提出暴胀前时期的时间本质上是离散的，时间步长约为10⁻⁶⁰ s，远小于普朗克时间。
• 将早期宇宙建模为具有超高频振荡（~10⁶⁰ Hz）的引力相干态，以模拟离散时间效应。
• 使用变分原理最小化与1-、2-和3-形式场耦合的爱因斯坦-希尔伯特作用量，以描述相干态的几何结构。
• 采用凝聚态物理类比（如激光诱导超导性）来启发此类相干态的形成与动力学。
• 将暴胀前阶段的离散马尔可夫时间识别为标准随机量子化中使用的随机时间，该时间在暴胀后时代变得不可观测。
• 提出从离散时间到连续时间的转变对应于暴胀的结束，后者在低能区成为有效描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理机制可在无基本暴胀场的前提下触发宇宙暴胀的快速启动？
• RQ2 如何通过低于普朗克时间的新物理时间尺度解决宇宙学常数的层次问题？
• RQ3 具有超高频振荡的引力相干态是否能产生足够的真空涨落以启动暴胀？
• RQ4 离散时间动力学与暴胀后区域随机量子化之间有何关联？
• RQ5 将马尔可夫离散时间与随机时间相联系，如何为标准量子场论中等时相关性提供物理依据？

主要发现

• 本文提出一个新的物理时间尺度，约为10⁻⁶⁰ s，其来源于微观与宏观反应时间之比，作为暴胀前宇宙基本时间步长的候选。
• 具有~10⁶⁰ Hz频率的高能振荡引力相干态可模拟离散时间，并通过引力版施温格效应产生强烈的真空涨落。
• 此类涨落可能导致普朗克质量黑洞的产生，其衰变为标准模型粒子，从而降低宇宙学常数并结束暴胀。
• 离散时间或相干态为量子场论提供了自然的紫外截断，可能解决现象学量子场论中的二次发散问题。
• 暴胀前阶段的马尔可夫离散时间被识别为标准量子化中使用的随机时间，从而为暴胀后时代等随机时间规范的合理性提供依据。
• 从离散时间到连续时间的转变对应于暴胀的结束，连续时间在低能区作为有效描述出现。