[论文解读] Gravity through the prism of condensed matter physics

G. E. Volovik|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出引力、宇宙学常数和黑洞熵可从凝聚态物理类比中涌现，利用四维标架作为双线性费米子算符，以外尔点建模量子真空结构。该研究认为，小的宇宙学常数源于对称性破缺与拓扑保护，而涌现引力则预测标准模型将扩展至四代并具有非对称暗物质。

ABSTRACT

In the paper "Life, the Universe, and everything--42 fundamental questions", Roland Allen and Suzy Lidström presented personal selection of the fundamental questions. Here, based on the condensed matter experience, we suggest the answers to some questions concerning the vacuum energy, black hole entropy and the origin of gravity. In condensed matter we know both the many-body phenomena emerging on the macroscopic level and the microscopic (atomic) physics, which generates this emergence. It appears that the same macroscopic phenomenon may be generated by essentially different microscopic backgrounds. This points to various possible directions in study of the deep quantum vacuum of our Universe.

研究动机与目标

• 使用凝聚态物理类比解决量子引力与宇宙学中的基本问题。
• 通过多体系统中真空能量的抵消，利用对称性解决宇宙学常数的层级问题。
• 通过 de Sitter 空间与两流体动力学类比，解释黑洞熵与视界热力学。
• 基于由费米子双线性形式导出的四维标架与外尔点结构，提出涌现引力的场景。
• 通过受凝聚态系统启发的拓扑与对称性机制，扩展标准模型。

提出的方法

• 将真空建模为通过费米子双线性算符构造的四维标架而涌现出时空的多体量子系统。
• 在三维与四维动量-频率空间中利用外尔点构造，实现八或十六个无质量费米子，对应四代。
• 将吉布斯-杜海姆关系应用于 de Sitter 热力学，推导黑洞熵与视界温度。
• 引入无量纲物理，将约化普朗克常数 ℏ 重新解释为四维标架框架内的长度尺度。
• 分析相共存与弛豫过程，以解释观测到的微小宇宙学常数。
• 探索宇宙畴壁与爱丽丝弦等拓扑缺陷，作为 ³He-B 与 ³He-A 中凝聚态纹理的类比。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何宇宙学常数远小于普朗克尺度的预测值？
• RQ2 黑洞熵与温度如何从真空热力学中涌现？
• RQ3 在凝聚态类比中，引力的起源是什么？
• RQ4 能否通过凝聚态系统启发的拓扑与对称性机制扩展标准模型？
• RQ5 涌现四维标架与外尔费米子对量子引力与暗物质有何影响？

主要发现

• 通过对称性与相共存实现的真空能量抵消，解决了宇宙学常数问题，与观测到的小值一致。
• 黑洞熵源于真空的 de Sitter 热力学，熵与视界面积成正比，由吉布斯-杜海姆关系导出。
• 四维标架作为费米子算符的双线性形式涌现，表明其在涌现引力中可能比度规更基本。
• 在四维动量-频率空间中，外尔点构造产生十六个无质量费米子，支持具有四代的 Pati-Salam 型大统一。
• 通过对称性 K 的自发破缺产生大质量中微子，其小质量源于凝聚态相变中典型的指数抑制。
• ³He-A 中宇宙弦、畴壁与磁夸克的拓扑类比，与预测的宇宙物体相联系，将凝聚态物理与天体物理相连接。