[论文解读] Einstein equation and Hawking radiation govern Universe evolution

She-Sheng Xue|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出，爱因斯坦方程与霍金辐射共同通过将宇宙学常数能量密度（ρ_Λ）与费米子及其反费米子的连续对产生过程相联系，来支配宇宙演化。在暴胀期间，随着ρ_Λ减小，它驱动物质产生，直到对产生率超过哈勃速率，暴胀自然结束；该机制解释了普朗克2018年数据，并通过在辐射-物质转变期间ρ_Λ跟踪辐射密度，解决了宇宙巧合问题。

ABSTRACT

Suppose that the early Universe starts with a quantum spacetime originated cosmological $\Lambda$-term at the Planck scale $M_{ m pl}$. The cosmological energy density $ ho_{_{_\Lambda}}$ drives inflation and simultaneously reduces its value to create the matter-energy density $ ho_{_{_M}}$ via the continuous pair productions of massive fermions and antifermions. The decreasing $ ho_{_{_\Lambda}}$ and increasing $ ho_{_{_M}}$, in turn, slows down the inflation to its end when the pair production rate $\Gamma_M$ is larger than the Hubble rate $H$. The density $ ho_{_{_\Lambda}}$ and Hubble rate $H$ are uniquely determined by two independent equations from the Einstein equation and energy conservation law, in addition, the $ ho_{_{_M}}$ is determined by pair productions. As a result, inflation naturally appears and theoretical results agree to Planck 2018 observations. Suppose that the reheating efficiently converts $ ho_{_{_\Lambda}}$ to $ ho_{_{_M}}\gg ho_{_{_\Lambda}}$ accounting for the most relevant Universe mass, and some massive pairs decay to relativistic particles of energy density $ ho_{_{_R}}$ starting the hot Big Bang. The back reaction $ ho_{_{_M}}\leftrightarrow H\leftrightarrow ho_{_{_\Lambda}}$ is weak but continues. As a consequence, $ ho_{_\Lambda}$ closely tracks down $ ho_{_R}$ from the reheating end up to the radiation-matter equilibrium, then it varies very slowly, $ ho_{_\Lambda}\propto$ constant, due to the transition from radiation dominate to matter dominate epoch. Therefore the cosmic coincidence problem can be possibly avoided.

研究动机与目标

• 通过量子时空与对产生过程，解释早期宇宙中暴胀与物质产生的起源。
• 通过展示ρ_Λ从再加热到辐射-物质相等期间始终跟踪ρ_R，解决宇宙巧合问题。
• 通过爱因斯坦方程与能量守恒，统一描述ρ_Λ、ρ_M与H的演化。
• 通过早期宇宙演化的动态、自洽模型，证明其与普朗克2018年观测的一致性。

提出的方法

• 将早期宇宙建模为在普朗克尺度上具有初始宇宙学常数能量密度ρ_Λ的量子时空。
• 利用爱因斯坦方程与能量守恒，唯一确定ρ_Λ与H随时间的变化关系。
• 引入大质量费米子与反费米子的连续对产生，以从ρ_Λ生成物质能量密度ρ_M。
• 将暴胀的结束定义为对产生率Γ_M超过哈勃速率H的时刻。
• 应用反作用动力学，表明在辐射主导时期ρ_Λ紧密跟踪ρ_R。
• 证明在从辐射主导到物质主导的过渡期间，ρ_Λ近似为常数，从而避免宇宙巧合问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙学常数能量密度ρ_Λ如何在通过费米子与反费米子对产生同时驱动暴胀并生成物质？
• RQ2 在此量子时空框架下，暴胀的结束由什么决定？
• RQ3 ρ_M、H与ρ_Λ之间的反作用如何影响从辐射到物质主导过渡期间ρ_Λ的演化？
• RQ4 尽管能量密度下降，为何ρ_Λ在物质主导时期仍保持近似恒定？
• RQ5 该模型能否无需微调自然解决宇宙巧合问题？

主要发现

• 当对产生率Γ_M超过哈勃速率H时，暴胀自然结束，标志着指数膨胀向物质主导演化的真实物理转变。
• 该模型对宇宙演化的理论预测与普朗克2018年观测一致，验证了其物理框架的有效性。
• 物质能量密度ρ_M通过大质量费米子与反费米子的连续对产生从ρ_Λ动态生成。
• 再加热后，ρ_Λ从再加热结束到辐射-物质平衡期间紧密跟踪ρ_R，意味着该阶段ρ_Λ近似为常数。
• 宇宙巧合问题可能得以解决，因为ρ_Λ在从辐射主导到物质主导的过渡期间保持近似恒定并跟踪ρ_R。
• ρ_Λ、H与ρ_M之间的相互作用由爱因斯坦方程与能量守恒导出的两个独立方程所支配，确保了演化的自洽性与唯一性。