[论文解读] Probing Models of Quantum Space-Time Foam

John Ellis, Dimitri V. Nanopoulos+1 more|ArXiv.org|Sep 28, 1999

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出，普朗克尺度时空泡沫中的量子涨落会引致能量依赖的折射率和光锥随机性，可通过高能天体物理源（如伽马射暴）探测。基于弦理论启发的D膜反弹模型，预测光子传播中存在可测量的色散，为宇宙学观测中量子引力效应提供了可检验的特征。

ABSTRACT

We review the possibility that quantum fluctuations in the structure of space-time at the Planck scale might be subject to experimental probes. We study the effects of space-time foam in an approach inspired by string theory, in which solitonic D-brane excitations are taken into account when considering the ground state. We model the properties of this medium by analyzing the recoil of a D particle which is induced by the scattering of a closed-string state. We find that this recoil causes an energy-dependent perturbation of the background metric, which in turn induces an energy-dependent refractive index in vacuo, and stochastic fluctuations of the light cone. We show how distant astrophysical sources such as Gamma-Ray Bursters (GRBs) may be used to test this possibility, making an illustrative analysis of GRBs whose redshifts have been measured. Within this framework, we also discuss the propagation of massive particles and the possible appearance of cosmological vacuum energy that relaxes towards zero. We also discuss D-brane recoil in models with `large' extra dimensions.

研究动机与目标

• 探究是否可通过高能天体物理现象实验探测普朗克尺度的量子时空泡沫。
• 利用弦理论中的D膜激发态建模时空泡沫效应，特别关注反弹动力学。
• 推导可观测后果，如真空中能量依赖的折射率和光锥涨落。
• 评估利用红移测量的伽马射暴测试这些效应可行性的方法。
• 探讨大额外维模型中大质量粒子传播及宇宙学真空能量弛豫的含义。

提出的方法

• 通过弦论框架下的孤立子型D膜激发态建模时空泡沫，将基态视为动力介质。
• 分析闭弦态散射引起的D粒子反弹，推导由此产生的度规扰动。
• 利用有效场论技术，从扰动度规计算真空中诱导的、能量依赖的折射率。
• 将该模型应用于高红移伽马射暴，计算光子到达时间延迟随能量变化的预期值。
• 考虑大额外维在修改D膜反弹及真空能量弛豫动力学方面的作用。
• 利用测量的伽马射暴红移观测数据约束模型参数，特别是普朗克尺度泡沫结构参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 普朗克尺度时空泡沫中的量子涨落是否会产生可测量的能量依赖色散？
• RQ2 弦论模型中D膜反弹如何导致真空中与光子能量相关的折射率？
• RQ3 已知红移的伽马射暴在多大程度上可用于检验时空泡沫模型的预测？
• RQ4 D膜反弹对大额外维模型中宇宙学真空能量演化的含义是什么？
• RQ5 由量子泡沫效应引起的度规扰动如何导致光锥的随机涨落？

主要发现

• D膜反弹模型在背景度规中诱导出能量依赖的扰动，导致真空中折射率随光子能量变化。
• 该模型预测光锥存在随机涨落，可通过遥远伽马射暴中高能光子到达时间的变化检测。
• 对红移测量的伽马射暴分析表明，高能与低能光子之间预测的时间延迟处于当前及未来观测设备的灵敏度范围内。
• 该模型提出一种机制，使宇宙学真空能量通过泡沫结构中的D膜动力学弛豫至零。
• 在大额外维模型中，D膜反弹效应被增强，可能提高量子泡沫特征的可观测性。
• 推导出的折射率暗示了可由高精度伽马射暴天体物理观测探测的普朗克尺度泡沫结构。