[论文解读] From Analogue Models to Gravitating Vacuum

G. E. Volovik|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 74被引用 6

一句话总结

本文提出，量子真空是一种由热力学、对称性和动量空间拓扑所支配的自持、洛伦兹不变的多体系统，在平衡态下真空能量自然抵消为零。该研究通过假设宇宙学是趋向闵可夫斯基真空吸引子的弛豫过程，解决了宇宙学常数问题，将观测到的微小宇宙学常数解释为漫长平衡化过程的残余。

ABSTRACT

We discuss phenomenology of quantum vacuum. Phenomenology of macroscopic systems has three sources: thermodynamics, topology and symmetry. Momentum space topology determines the universality classes of fermionic vacua. The vacuum in its massless state belongs to the Fermi-point universality class, which has topologically protected fermionic quasiparticles. At low energy they behave as relativistic massless Weyl fermions. Gauge fields and gravity emerge together with Weyl fermions at low energy. Thermodynamics of the self-sustained vacuum allows us to treat the problems related to the vacuum energy: the cosmological constant problems. The natural value of the energy density of the equilibrium the self-sustained vacuum is zero. Cosmology is the process of relaxation of vacuum towards the equilibrium state. The present value of the cosmological constant is very small compared to the Planck scale, because the present Universe is very old and thus is close to equilibrium.

研究动机与目标

• 通过热力学框架重新诠释真空能量，以解决宇宙学常数问题。
• 解释为何观测到的宇宙学常数远小于理论预期值。
• 确立量子真空为由热力学、对称性和拓扑所支配的宏观多体系统。
• 提出宇宙学是一种动态弛豫过程，以闵可夫斯基真空作为吸引子态。
• 阐明微小残余宇宙学常数的起源，其源于红外物理和动量空间拓扑。

提出的方法

• 将量子真空建模为具有守恒电荷 q₀ 的自持介质，类似于量子液体中的粒子密度。
• 将热力学原理应用于真空，表明在平衡态下，真空能量密度自然为零。
• 使用具有动态真空能量密度的广义爱因斯坦方程，描述真空-引力-物质的耦合。
• 引入真空的可压缩性条件，其中正可压缩性确保闵可夫斯基真空为稳定吸引子。
• 通过作用量原理分析真空动力学，并推导出真空能量随时间弛豫的条件。
• 依赖动量空间拓扑对真空普适类进行分类，特别是支持拓扑保护的外尔费米子的费米点类。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不进行微调的情况下解决宇宙学常数问题？
• RQ2 为何观测到的真空能量密度远小于普朗克尺度的预期值？
• RQ3 何种动力学机制使真空能够演化至宇宙学常数为零的状态？
• RQ4 动量空间拓扑如何影响量子真空的低能行为？
• RQ5 热力学平衡在决定量子真空性质方面起什么作用？

主要发现

• 量子真空是一种自持介质，在热力学平衡下真空能量密度为零，自然解决了宇宙学常数问题。
• 只要真空具有正可压缩性，闵可夫斯基真空在宇宙演化中即作为全局吸引子。
• 观测到的微小宇宙学常数是漫长弛豫过程的残余，与宇宙极为古老这一事实一致。
• 动量空间中的拓扑特性——特别是费米点普适类——保护了无质量外尔费米子，并构成涌现规范场和引力场的基础。
• 只要系统通过与引力和物质的能量交换演化至平衡态，真空能量密度的动态弛豫可无需微调实现。
• 微小残余真空能量的唯象来源包括红外效应，如中微子扇区异常、QCD异常，以及电弱交叉过程中的弛豫。