[论文解读] Gravitational Aether and the thermodynamic solution to the cosmological constant problem

Niayesh Afshordi|ArXiv.org|Jul 16, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用 15

一句话总结

本文通过引入不可压缩引力以太流体，对引力提出热力学修正，使真空能量与引力解耦，从而解决宇宙学常数问题。该理论预测辐射的引力常数比常规物质大33%，支持具有修正动力学的慢滚暴胀，并通过以太状态方程的有限温度修正解释宇宙加速膨胀，其预测的暗能量密度与观测结果一致，适用于恒星级黑洞。

ABSTRACT

Cosmological constant problem (in its various versions) is arguably the deepest gap in our understanding of theoretical physics, the solution to which may very likely require revisiting the Einstein theory of gravity. In this letter, I argue that the simplest consistent way to decouple gravity from the vacuum energy (and hence solve the problem) is through the introduction of an incompressible gravitational aether fluid. The theory then predicts that gravitational constant for radiation is 33% larger than that of non-relativistic matter, which is preferred by most cosmological observations (with the exception of light element abundances), but is not probed by current precision tests of gravity. I also show that slow-roll inflation can happen in this theory, with only minor modifications. Finally, interpreting gravitational aether as a thermodynamic description of gravity, I propose a finite-temperature correction to the equation of state of gravity, which would explain the present-day acceleration of the cosmic expansion as a consequence of the formation of stellar mass black holes.

研究动机与目标

• 通过不引入微调的方式，将真空能量与引力解耦，以解决宇宙学常数问题。
• 发展一种引力的热力学描述，替代标准的爱因斯坦-希尔伯特作用量，尤其在低能区域。
• 不依赖宇宙学常数，而是通过引力以太的有限温度修正，解释观测到的晚期宇宙加速膨胀。
• 在修改引力对真空能量响应的同时，保持与宇宙学观测（包括暴胀和结构形成）的一致性。
• 通过从黑洞物理与热力学推导出暗能量密度，提出一种可检验的、非人择多宇宙解的替代方案。

提出的方法

• 引入一种修正的爱因斯坦方程，使引力耦合至引力以太流体，且方程运动右侧对真空能量密度不敏感。
• 将引力以太定义为不可压缩流体，其状态方程经修正后，使辐射的引力常数相比物质增大33%。
• 推导标量场暴胀模型的修正弗里德曼方程，表明慢滚暴胀在修正后的动力学下依然可行，且对标量场动能能量的依赖关系发生改变。
• 对以太应力-能量张量提出有限温度修正，包含与 $ M_p T_H^3 $ 成正比的项，其中 $ T_H $ 为黑洞视界温度。
• 利用观测到的暗能量密度约束温度修正项的系数，发现与恒星级黑洞（$ \sim 20 M_\odot $）一致。
• 将所得状态方程视为更深层基本理论的实验指导，避免依赖引力的作用量原理。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过引力领域的热力学修正，将引力与真空能量解耦，而无需引入新的基本场？
• RQ2 辐射引力常数的修正会产生何种宇宙学后果？其对暴胀和结构形成有何影响？
• RQ3 观测到的宇宙加速膨胀能否不通过宇宙学常数，而是通过引力以太状态方程的有限温度修正来解释？
• RQ4 恒星级黑洞的形成是否与宇宙加速的开始存在关联，其机制是否由引力以太热力学所介导？
• RQ5 能否仅通过普朗克质量与黑洞质量尺度，从黑洞热力学推导出暗能量密度，而无需微调？

主要发现

• 该理论预测辐射的引力常数比非相对论性物质大33%，与大多数宇宙学观测一致，但与轻元素丰度略有不符。
• 慢滚暴胀在该模型中依然可行，修正后的弗里德曼方程依赖于 $ \dot{\varphi} $ 而非 $ V(\varphi) $，且标量功率谱的推导中不再出现通常的 $ \epsilon $ 抑制效应。
• 引力以太的有效状态方程包含与 $ M_p T_H^3 $ 成正比的有限温度修正项，可重现观测到的暗能量密度 $ \Omega_\Lambda \simeq 0.7 $。
• 为使该修正与观测一致，所需黑洞质量为 $ M_{BH} \simeq 20 M_\odot $，与超新星爆发形成的恒星级黑洞一致。
• 该模型为宇宙加速提供了一种非人择、有限温度的解释，将其与黑洞形成及其视界温度联系起来。
• 引力缺乏作用量原理与热力学描述一致，且该模型为多宇宙与人择论解提供了可检验的替代方案。