[论文解读] Emergent Spacetime and Cosmic Inflation I & II

Hyun Seok Yang|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 58被引用 8

一句话总结

本文提出了一种背景无关的宇宙暴胀形式化表述，将暴胀视为由真空中普朗克尺度能量凝聚触发的时空动力学涌现。该理论通过共形哈密顿系统描述暴胀，无需标量场（inflaton）或人为设定的势能，暗示存在单一、普遍的暴胀事件，从而挑战多元宇宙假说。

ABSTRACT

We propose a background-independent formulation of cosmic inflation. The inflation in this picture corresponds to a dynamical process to generate space and time while the conventional inflation is simply an (exponential) expansion of a preexisting spacetime owing to the vacuum energy carried by an inflaton field. We observe that the cosmic inflation is triggered by the condensate of Planck energy into vacuum responsible for the dynamical emergence of spacetime and must be a single event according to the exclusion principle of noncommutative spacetime caused by the Planck energy condensate in vacuum. The emergent spacetime picture admits a background-independent formulation so that the inflation can be described by a conformal Hamiltonian system characterized by an exponential phase space expansion without introducing any inflaton field as well as an {\it ad hoc} inflation potential. This implies that the emergent spacetime may incapacitate all the rationales to introduce the multiverse hypothesis. In Part I we will focus on the physical foundation of cosmic inflation from the emergent spacetime picture to highlight the main idea. Its mathematical exposition will be addressed in Part II with a generalization of the emergent spacetime picture to matrix string theory.

研究动机与目标

• 将宇宙暴胀重新表述为时空的动力学涌现，而非预设几何结构内的膨胀。
• 消除在描述早期宇宙时对标量场和人为设定的暴胀势能的依赖。
• 建立与非交换时空结构一致的背景无关暴胀形式化表述。
• 通过量子排除原理证明暴胀必为单一普遍事件，从而挑战多元宇宙假说。
• 为时空涌现的共形哈密顿描述奠定基础，该描述可推广至矩阵弦理论。

提出的方法

• 将暴胀表述为由真空中普朗克能量凝聚驱动的动力学过程，从而导致时空的涌现。
• 使用共形哈密顿系统描述相空间的指数膨胀，而无需引入标量场。
• 应用非交换时空中的排除原理，将暴胀限制为单一事件。
• 构建一个背景无关的框架，使时空几何从量子真空中动力学涌现。
• 在第二部分中将涌现时空图像推广至矩阵弦理论，以进行数学阐述。
• 将暴胀相表征为相空间中的指数膨胀，而非在固定时空中的膨胀。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将宇宙暴胀重新解释为时空的动力学涌现，而非预设时空内的膨胀？
• RQ2 真空中普朗克尺度能量凝聚在触发时空涌现中起什么作用？
• RQ3 能否在背景无关的前提下，不依赖标量场或现象学势能来描述暴胀？
• RQ4 为何根据非交换时空中的排除原理，暴胀过程必须是单一事件？
• RQ5 共形哈密顿系统框架如何实现对无固定几何结构的相空间指数膨胀的描述？

主要发现

• 暴胀源于真空中普朗克能量的凝聚，该过程动态生成时空，而非在已有时空中膨胀。
• 该过程本质上是背景无关的，无需假设预设的时空流形。
• 非交换时空中的排除原理将暴胀限制为单一事件，从而排除多元宇宙情景。
• 共形哈密顿系统在不引入标量场或势能的前提下，描述了相空间的指数膨胀。
• 涌现时空框架为传统暴胀模型提供了一个数学上一致的替代方案。
• 该模型可自然推广至矩阵弦理论，暗示其具有更深层的量子引力基础。