[论文解读] The equation of vacuum state and the structure formation in universe

С. Л. Черкас, В. Л. Калашников|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出真空表现出一种具有确定状态方程和声速的量子流体行为，该结论基于零真空熵的推导，使得在无需暗物质的米尔内型宇宙中也能形成结构。通过五矢量引力理论（FVT），表明在小尺度上真空与物质扰动线性增长，暗示了与观测一致的早期且剧烈的结构形成，统一了真空涨落中的暗能量与暗物质效应。

ABSTRACT

The vacuum is considered as some fluid emergent from the zero-point fluctuations of the quantum fields contributing to the vacuum energy density and pressure. The equation of vacuum state and the speed of vacuum sound-waves are deduced under the assumption of zero vacuum entropy. The evolution of the background space-time metric resembles that of the Milne's-like universe. In the framework of the five-vector theory of gravitation allowing an arbitrary choice of the energy density reference level, the dynamics of the vacuum, pressureless matter, and space-time metrics perturbations are traced under this background. The obtained results show the very early formation of the Universe structure without the need for dark matter. Thus, a vacuum can be considered as some of the dark-energy-matter unification.

研究动机与目标

• 通过将真空能量重新解释为具有确定状态方程的物理流体，解决宇宙学常数问题。
• 探究仅靠真空涨落是否足以驱动结构形成，而无需引入暗物质。
• 开发一种基于五矢量引力理论（FVT）的框架，允许能量密度的任意参考水平，从而实现物理真空能量的贡献而不产生发散。
• 对真空和无压物质的扰动进行线性演化建模，显示其增长与观测到的大尺度结构一致。
• 证明真空的本征性质——特别是其声速和状态方程——能够统一暗能量与暗物质效应。

提出的方法

• 从零熵真空涨落推导真空状态方程和声速，将真空视为量子流体。
• 应用五矢量引力理论（FVT），通过将度规限制为共形单式形式来修改爱因斯坦-希尔伯特作用量，从而允许能量密度参考水平任意。
• 利用FVT中的哈密顿约束和动量约束，表明弗里德曼方程在任意常数范围内成立，从而可将物理真空能量与发散的零点能贡献分离。
• 在类米尔内宇宙的背景度规中，为真空和无压物质建立线性扰动方程，其中哈勃参数H为关键尺度。
• 在共动坐标系中求解扰动方程组（32）–（37），追踪从红移z=1100到后期时间的密度对比度增长因子D_k(z)。
• 比较两种物质密度下的结果：Ω_m = 0.03（标准模型）和Ω_m = 0.3（线性平稳宇宙模型的优选值），评估不同尺度上的结构增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠真空的本征量子涨落是否足以在无暗物质的情况下驱动宇宙结构的形成？
• RQ2 在零熵框架下，真空流体的状态方程和声速是什么？
• RQ3 五矢量引力理论（FVT）如何使物理真空能量在不产生发散的情况下贡献于时空曲率？
• RQ4 在米尔内型宇宙中，真空与物质扰动的增长程度如何？其增长是否与观测到的结构形成时间线一致？
• RQ5 真空行为是否能通过其状态方程和声波传播统一暗能量与暗物质效应？

主要发现

• 结果表明，真空表现出一种具有确定状态方程和声速的量子流体行为，其来源于零熵真空涨落。
• 在五矢量引力理论（FVT）中，弗里德曼方程在任意常数范围内成立，使得物理真空能量可从发散的零点能贡献中分离。
• 扰动增长分析显示，小尺度（星系团尺度）的非均匀性进入强非线性区域，表明存在早期且剧烈的结构形成。
• 对于波数k > H的扰动，其随时间增长；而k < H的扰动则随时间减小，表明H是结构演化的一个临界尺度。
• 该模型预测无需暗物质即可实现结构形成：即使在Ω_m = 0.3时，小尺度上的密度对比度增长因子也超过1，表明仅靠真空涨落即可触发大尺度结构的形成。
• 结果表明，小尺度上的真空团簇化可能模拟暗物质晕，尽管非线性动力学超出了本线性扰动分析的范围。