[论文解读] On initial conditions for inflationary and bouncing cosmologies

D. H. Coule|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用 6

一句话总结

本文研究了标量场驱动的暴胀在早期和晚期宇宙学中的初始条件问题，认为标准量子宇宙学难以在截然不同的能量尺度下解释暗能量场的大尺度均匀性。研究指出，若在坍缩或创生事件中缺乏低熵边界条件，即使圈量子宇宙学也无法自然产生持续的晚期暴胀相。

ABSTRACT

We consider the question of deriving initial conditions for scalar fields in driving both an early and late quintessence phase. The dark energy field presents an unresolved uniformity problem. Further difficulties with initial conditions for assisted, kinetic and phantom inflation are presented. We review the use of the canonical measure and find the negative conclusions of Gibbons and Hawking can be allayed by means of a reasonable quantum cosmological input. We remark upon some attempts at incorporating inflationary schemes into cyclic and bouncing models.

研究动机与目标

• 解决标量场如何实现晚期暗能量驱动暴胀所必需的大尺度均匀性这一未解问题。
• 评估 quintessence、动力学、幻影和协同暴胀模型作为晚期加速候选者的可行性。
• 评估量子宇宙学测度或修正引力理论是否能为两个不同的暴胀阶段提供一致的初始条件。
• 考察高阶导数引力模型在支持稳定、均匀的暴胀阶段方面的局限性。

提出的方法

• 利用能量密度和压强方程（1）与（2）分析弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙学中的标量场动力学，重点关注动能、梯度和势能主导的情况。
• 应用正则测度论论证预测单阶段暴胀，表明若使用合理的量子宇宙学输入，可缓解吉布斯与图罗克的负面结论。
• 评估初始场位移和因果视界约束在决定标量场是否能在哈勃尺度区域保持均匀性方面的作用。
• 考虑在晚期暴胀之前存在非暴胀阶段的影响，特别是场相干性的视界问题。
• 考察修正引力模型（如 $1/R^n$）及其与标量-张量理论的共形等价性，评估其稳定性和初始条件要求。
• 探讨熵、时间之箭和循环模型在解决初始条件难题中的作用，特别是在弹跳宇宙学中的应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一标量场机制是否能在不精细调节初始条件的情况下解释早期和晚期的暴胀阶段？
• RQ2 为何在存在长时间非暴胀期的模型中，quintessence 场在哈勃尺度区域的均匀性难以成立？
• RQ3 量子宇宙学或正则测度在多大程度上能为导致暴胀的初始条件提供先验合理性？
• RQ4 为确保在弹跳或创生事件中实现低熵态，需要何种边界条件以支持后续的暴胀阶段？
• RQ5 具有高阶导数项的修正引力理论是否比标量场模型为双阶段暴胀提供更自然的框架？

主要发现

• 若无先前的暴胀阶段或低熵初始条件，当前哈勃尺度上暗能量标量场的均匀性无法得到解释。
• 若在弹跳处缺乏低熵边界条件，即使圈量子宇宙学也无法自然产生持续的晚期暴胀相。
• 当非暴胀阶段先于动力学、幻影和协同暴胀模型时，这些模型面临更强的精细调节问题，使其作为晚期加速候选者更为不可行。
• 只要使用合理的量子宇宙学输入，正则测度可缓解吉布斯与图罗克关于单阶段暴胀的负面结论。
• 高阶导数引力模型如 $1/R^n$ 虽与标量-张量理论共形等价，但其宇宙无毛性质有限，且可能存在不稳定问题。
• 循环模型和熵稀释机制无法解决黑洞导致的熵最大化问题，因此在缺乏额外约束的情况下，持续膨胀或循环行为显得不可信。