[论文解读] Variable Speed of Light Cosmology: An Alternative to Inflation

J. W. Moffat|ArXiv.org|Aug 16, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 14

一句话总结

本文提出可变光速（VSL）宇宙学作为暴胀理论的可行替代方案，其中早期宇宙中局域洛伦兹对称性的自发性破缺触发了光速降低约30个数量级的相变。该模型使半经典量子场论能够计算出一个标度不变、绝热的原初涨落谱，成功重现了宇宙微波背景（CMB）的关键特征，而无需精细调节的势能或巨大的初始真空中能量。

ABSTRACT

It is generally believed that inflationary cosmology explains the isotropy, large scale homogeneity and flatness as well as predicting the deviations from homogeneity of our universe. We show that this is not the only cosmology which can explain successfully these features of the universe. We consider anew and modify a model in which local Lorentz invariance is spontaneously broken in the very early universe, and in this epoch the speed of light undergoes a first or second order phase transition to a value ~ 30 orders of magnitude smaller, corresponding to the presently measured speed of light. Before the phase transition at a time t ~ t_c, the entropy of the universe is reduced by many orders of magnitude, allowing for a semiclassical quantum field theory calculation of a scale invariant fluctuation spectrum. After the phase transition has occurred, the radiation density and the entropy of the universe increase hugely and the increase in the entropy follows the arrow of time determined by the spontaneously broken direction of the vev _0. This solves the enigma of the arrow of time and the second law of thermodynamics. A new calculation of the primordial Gaussian and adiabatic fluctuation spectrum is carried out, leading to a scale invariant scalar component of the power spectrum. We argue that there are several attractive features of VSL theory compared to standard inflationary theory, and that it provides an alternative cosmology with potentially different predictions.

研究动机与目标

• 为解决宇宙学中的初始值问题——如视界问题、平坦性问题和熵问题——而不依赖暴胀。
• 探讨具有自发洛伦兹对称性破缺的可变光速（VSL）宇宙学是否能重现观测到的标度不变原初涨落谱。
• 提出一个基于洛伦兹对称性自发破缺的熵增方向与热力学不可逆性的机制。
• 挑战早期宇宙模型中对精细调节的标量场势能和巨大真空中能量的必要性。
• 提出一个可检验的暴胀替代模型，可能在张量模式和引力波方面具有不同的预测。

提出的方法

• 引入一个具有非零真空期望值（vev）的矢量场，以在早期宇宙中自发破缺局域洛伦兹对称性。
• 在临界温度Tc处建模一阶或二阶相变，使光速降低约30个数量级。
• 使用半经典量子场论框架，计算低光速相中的原初涨落谱。
• 推导出与CMB观测一致的标度不变、绝热标量功率谱。
• 构建一个类似于临界现象的有效场论，以描述光速的相变。
• 将VSL模型的预测与暴胀模型进行比较，尤其关注功率谱中的张量（引力波）分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 可变光速宇宙学是否能在不依赖暴胀的情况下解释宇宙的大尺度均匀性、各向同性和平坦性？
• RQ2 早期宇宙中洛伦兹对称性的自发破缺是否能为时间之箭头和热力学第二定律提供自然起源？
• RQ3 能否在VSL框架中通过半经典量子场论推导出标度不变的原初涨落谱？
• RQ4 VSL模型如何避免与暴胀势能和初始真空中能量相关的精细调节问题？
• RQ5 VSL与暴胀在观测上存在哪些差异，特别是原初功率谱中的张量（引力波）分量方面？

主要发现

• VSL模型通过在低光速相中进行半经典量子场论计算，成功生成了标度不变、绝热的标量功率谱。
• 光速的相变降低了早期宇宙的熵，使得在高能密度下仍能进行一致的量子场论计算。
• 时间之箭自然地从矢量场真空期望值的方向中产生，从而解决了热力学时间之箭问题。
• 该模型避免了对非自然平坦的标量场势能的依赖，且与标准暴胀不同，无需巨大的初始真空中能量。
• VSL模型预测的张量模式谱与暴胀模型不同，可通过未来的CMB和引力波观测进行可检验的区分。
• 对光速相变的有效的场论方法类似于临界现象，为该相变提供了合理的物理机制。