[论文解读] The Cosmological Constant Problem, Dark Energy, and the Landscape of String Theory

Raphael Bousso|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 54被引用 34

一句话总结

本文通过提出观测到的微小真空能量源于弦理论景观中的多宇宙，解决了宇宙学常数问题。它通过高维真空景观中的人择选择解释了暗能量的微小性和巧合性，其中我们的宇宙是通过量子隧穿形成的众多气泡宇宙之一，且暴胀由来自高能级母真空的衰变触发。

ABSTRACT

In this colloquium-level account, I describe the cosmological constant problem: why is the energy of empty space at least 60 orders of magnitude smaller than several known contributions to it from the Standard Model of particle physics? I explain why the "dark energy" responsible for the accelerated expansion of the universe is almost certainly vacuum energy. The second half of the paper explores a more speculative subject. The vacuum landscape of string theory leads to a multiverse in which many different three-dimensional vacua coexist, albeit in widely separated regions. This can explain both the smallness of the observed vacuum energy and the coincidence that its magnitude is comparable to the present matter density.

研究动机与目标

• 解释为何观测到的真空能量比量子场论预测小120个数量级。
• 通过多宇宙中的人择原理调和暗能量的微小性与观测到的物质密度之间的关系。
• 证明弦理论景观能够实现宇宙学上可行的真空衰变，从而产生辐射和物质。
• 调和观测宇宙的均匀性与景观本身固有的非均匀多宇宙结构之间的张力。

提出的方法

• 使用带有宇宙学项的爱因斯坦场方程分析宇宙学常数问题，表明观测约束意味着|Λ| ≲ 10⁻¹²⁰（普朗克单位）。
• 评估量子场论对真空能量的贡献，表明其比观测值大约120个数量级。
• 提出真正的真空能量通过量子隧穿和气泡成核从弦理论真空的广阔景观中被选出。
• 建模母德西特真空衰变为低能级口袋宇宙的过程，其中释放的能量驱动慢滚暴胀和再加热。
• 利用辐射产生必须足以支持核合成的条件，将母真空能量约束在Λ_parent ≫ 10⁻⁸⁸的范围内。
• 认为弦景观中高维度和相邻真空之间巨大的能量差异可避免一维模型的失败。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的真空能量密度远小于量子场论的估计值？
• RQ2 如何在不进行微调的情况下解释暗能量的微小性？
• RQ3 弦理论景观能否提供一种动态机制来生成观测到的真空能量？
• RQ4 成功的核合成对景观中真空衰变的能量尺度施加了何种约束？
• RQ5 尽管多宇宙本身具有非均匀性，为何我们观测到的是一个单一、均匀且各向同性的宇宙？

主要发现

• 观测到的真空能量密度被限制在|ρ_Λ| ≲ 10⁻¹²¹（普朗克单位）以内，远小于量子场论的估计值。
• 弦景观允许多重稳定的真空态，其真空能量广泛分布，从而支持对小Λ的人择选择。
• 从母德西特空间的真空衰变可产生足够的辐射和物质以支持核合成，要求Λ_parent ≫ 10⁻⁸⁸。
• 景观的高维特性可避免一维模型的失败，后者预测的是与观测不符的空宇宙。
• 我们口袋宇宙中的慢滚暴胀由真空衰变触发，解释了观测到的平坦性和均匀性。
• 气泡碰撞被指数级抑制，因此未观测到碰撞与模型一致，尽管未来CMB数据可能探测到相关信号。