Không gian de Sitter không có dao động lượng tử động

Foundations of Physics - Tập 46 - Trang 702-735 - 2016
Kimberly K. Boddy1, Sean M. Carroll1, Jason Pollack1
1Physics Department, California Institute of Technology, Pasadena, USA

Tóm tắt

Chúng tôi cho rằng, dưới một số giả thiết hợp lý, không gian de Sitter tiến đến trạng thái chân không yên tĩnh trong đó không tồn tại các dao động lượng tử động. Những dao động này đòi hỏi hoặc một vi trạng thái đang tiến hóa, hoặc các lịch sử phụ thuộc thời gian của các thiết bị ghi nhận ở trạng thái ngoài cân bằng, mà chúng tôi cho rằng không có trong các trạng thái tĩnh. Đối với trường vô hướng có khối lượng trên nền de Sitter cố định, định lý “không tóc vũ trụ” (cosmic no‑hair theorem) ngụ ý rằng trạng thái của một miền tiến tới chân không, nơi không có dao động. Chúng tôi lập luận rằng kết luận tương tự cũng đúng bất cứ khi nào một miền de Sitter được nhúng trong một lý thuyết rộng hơn với không gian Hilbert vô hạn chiều, bao gồm cả hấp dẫn lượng tử bán kinh điển với các chân không giả hoặc tính bổ sung (complementarity) trong các lý thuyết có ít nhất một chân không Minkowski. Lập luận này cung cấp lối thoát khỏi vấn đề “Boltzmann brain” trong những lý thuyết như vậy. Nó cũng ngụ ý rằng các trạng thái chân không không dịch chuyển lên các chân không năng lượng cao hơn (uptunnel) và rằng các nhiễu loạn không bị suy biến (decohere) trong quá trình lạm phát chậm (slow‑roll), gợi ý rằng lạm phát vĩnh cửu ít phổ biến hơn nhiều so với giả định thông thường. Ngược lại, nếu một miền de Sitter là một hệ kín với không gian Hilbert hữu hạn chiều, sẽ có các tuần hoàn Poincaré và dao động Boltzmann động chuyển đến các trạng thái có entropy thấp hơn. Phân tích của chúng tôi không thay đổi hiểu biết truyền thống về nguồn gốc các dao động mật độ từ lạm phát nguyên thủy, vì quá trình tái nhiệt (reheating) tự nhiên tạo ra môi trường có entropy cao và dẫn đến suy biến (decoherence), cũng như không ảnh hưởng đến sự tồn tại của các dao động chân không tĩnh như những dao động gây ra hiệu ứng Casimir.

Tài liệu tham khảo

Bunch, T., Davies, P.: Quantum Field Theory in de Sitter Space: Renormalization by Point Splitting. Proc. Roy. Soc. Lond. A360, 117 (1978)

Bunch, T., Davies, P.: Nonconformal renormalized stress tensors in robertson-walker space-times. J. Phys. A 11, 1315 (1978)

Hartle, J., Hawking, S.: Path integral derivation of black hole radiance. Phys. Rev. D 13, 2188 (1976)

Gibbons, G., Hawking, S.: Cosmological event horizons, thermodynamics, and particle creation. Phys. Rev. D 15, 2738 (1977)

Banks, T.: Cosmological breaking of supersymmetry? or Little lambda goes back to the future 2. Int. J. Mod. Phys. A 16, 910 (2001). arXiv:hep-th/0007146

Banks, T., Fischler, W.: M theory observables for cosmological space-times. arXiv:hep-th/0102077

Lyth, D.H., Liddle, A.R.: The Primordial Density Perturbation: Cosmology, Inflation and the Origin of Structure. Cambridge University Press, Revised edition (2009)

Dodelson, S.: Modern Cosmology. Academic Press, San Diego, CA (2003)

Baumann, D.: TASI lectures on inflation. arXiv:0907.5424

Vilenkin, A.: The birth of inflationary universes. Phys. Rev. D 27, 2848 (1983)

Goncharov, A.S., Linde, A.D.: Global structure of the inflationary universe. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 92, 1137 (1987)

Goncharov, A., Linde, A.D., Mukhanov, V.F.: The global structure of the inflationary universe. Int. J. Mod. Phys. A 2, 561 (1987)

Weinberg, S.: Anthropic bound on the cosmological constant. Phys. Rev. Lett. 59, 2607 (1987)

Bousso, R., Polchinski, J.: Quantization of four form fluxes and dynamical neutralization of the cosmological constant. JHEP 06, 006 (2000). arXiv:hep-th/0004134

Kachru, S., Kallosh, R., Linde, A.D., Trivedi, S.P.: De Sitter vacua in string theory. Phys. Rev. D 68, 046005 (2003). arXiv:hep-th/0301240

Susskind, L.: The anthropic landscape of string theory. In: The Davis Meeting on Cosmic Inflation (2003). arXiv:hep-th/0302219

Denef, F., Douglas, M.R.: Distributions of flux vacua. JHEP 05, 072 (2004). arXiv:hep-th/0404116

Lee, K.-M., Weinberg, E.J.: Decay of the true vacuum in curved space-time. Phys. Rev. D 36, 1088 (1987)

Aguirre, A., Carroll, S.M., Johnson, M.C.: Out of equilibrium: understanding cosmological evolution to lower-entropy states. JCAP 02, 024 (2012). arXiv:1108.0417

Dyson, L., Kleban, M., Susskind, L.: Disturbing implications of a cosmological constant. JHEP 10, 011 (2002)

Albrecht, A., Sorbo, L.: Can the universe afford inflation? Phys. Rev. D 70, 063528 (2004). arXiv:hep-th/0405270

Bousso, R., Freivogel, B.: A Paradox in the global description of the multiverse. JHEP 06, 018 (2007). arXiv:hep-th/0610132

Banks, T., Fischler, W., Paban, S.: Recurrent nightmares? Measurement theory in de Sitter space. JHEP 12, 062 (2002). arXiv:hep-th/0210160

Spradlin, M., Strominger, A., Volovich, A.: Les Houches lectures on de Sitter space. arXiv:hep-th/0110007

Wald, R.M.: Asymptotic behavior of homogeneous cosmological models in the presence of a positive cosmological constant. Phys. Rev. D 28, 2118 (1983)

Hollands, S.: Correlators, Feynman diagrams, and quantum no-hair in deSitter spacetime. Commun. Math. Phys. 319, 1 (2013). arXiv:1010.5367

Marolf, D., Morrison, I.A.: The IR stability of de Sitter QFT: results at all orders. Phys. Rev. D 84, 044040 (2011). arXiv:1010.5327

Stephens, C.R., ’t Hooft, G., Whiting, B.F.: Black hole evaporation without information loss. Class. Quant. Grav. 11, 621 (1994). arXiv:gr-qc/9310006

Susskind, L., Thorlacius, L., Uglum, J.: The Stretched horizon and black hole complementarity. Phys. Rev. D 48, 3743 (1993). arXiv:hep-th/9306069

Parikh, M.K., Savonije, I., Verlinde, E.P.: Elliptic de Sitter space: dS/Z(2). Phys. Rev. D 67, 064005 (2003). arXiv:hep-th/0209120

Everett, H.: Relative state formulation of quantum mechanics. Rev. Mod. Phys. 29, 454 (1957)

Schlosshauer, M.: Decoherence, the measurement problem, and interpretations of quantum mechanics. Rev. Mod. Phys. 76, 1267 (2004). arXiv:quant-ph/0312059

Wallace, D.: The Emergent Multiverse. Oxford University Press, Oxford (2012)

Elby, A., Bub, J.: Triorthogonal uniqueness theorem and its relevance to the interpretation of quantum mechanics. Phys. Rev. A 49, 4213 (1994)

Zurek, W.: Pointer basis of quantum apparatus: into what mixture does the wave packet collapse? Phys. Rev. D 24, 1516 (1981)

Zurek, W.H.: Preferred states, predictability, classicality and the environment-induced decoherence. Prog. Theor. Phys. 89, 281 (1993)

Zurek, W.H.: Decoherence, Einselection, and the existential interpretation: The Rough guide. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A356, 1793 (1998). arXiv:quant-ph/9805065

Zurek, W.H.: Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical. Rev. Mod. Phys. 75, 715 (2003). arXiv:quant-ph/0105127

Khlebnikov, S., Kruczenski, M.: Thermalization of isolated quantum systems. arXiv:1312.4612

Page, D.N., Wootters, W.K.: Evolution without evolution: dynamics described by stationary observables. Phys. Rev. D 27, 2885 (1983)

Page, D.N.: The Lifetime of the universe. J. Korean Phys. Soc. 49, 711 (2006). arXiv:hep-th/0510003 [hep-th]

Davenport, M., Olum, K.D.: Are there Boltzmann brains in the vacuum? arXiv:1008.0808 [hep-th]

Lindblad, G.: On the generators of quantum dynamical semigroups. Commun. Math. Phys. 48, 119 (1976)

Marquardt, F., Püttmann, A.: Introduction to dissipation and decoherence in quantum systems. arXiv:0809.4403

Zurek, W.: Environment induced superselection rules. Phys. Rev. D 26, 1862 (1982)

Birrell, N.D., Davies, P.C.W.: Quantum Fields in Curved Space. Cambridge Monographs on Mathematical Physics. Cambridge University Press, Cambridge (1984)

Allen, B.: Vacuum states in de sitter space. Phys. Rev. D 32, 3136 (1985)

Page, D.N., Wu, X.: Massless scalar field vacuum in de sitter spacetime. JCAP 11, 51 (2012). arXiv:1204.4462

Candelas, P., Raine, D.: General relativistic quantum field theory-an exactly soluble model. Phys. Rev. D 12, 965 (1975)

Géhéniau, J., Schomblond, C.: Fonctions de green dans l’univers de de sitter. Acad. R. Belg. Bull. Cl. Sci. 54, 1147 (1968)

Schomblond, C., Spindel, P.: Unicity conditions of the scalar field propagator delta(1) (x, y) in de Sitter Universe. Ann. Poincare Phys. Theor. 25, 67 (1976)

Chernikov, N., Tagirov, E.: Quantum theory of scalar fields in de Sitter space-time. Annales Poincare Phys. Theor. A9, 109 (1968)

Tagirov, E.: Consequences of field quantization in de Sitter type cosmological models. Ann. Phys. 76, 561 (1973)

Mottola, E.: Particle creation in de Sitter space. Phys. Rev. D 31, 754 (1985)

Bousso, R., Maloney, A., Strominger, A.: Conformal vacua and entropy in de sitter space. Phys. Rev. D 65, 104039 (2002)

Anderson, P.R., Eaker, W., Habib, S., Molina-Paris, C., Mottola, E.: Attractor states and infrared scaling in de Sitter space. Phys. Rev. D 62, 124019 (2000). arXiv:gr-qc/0005102

Hollands, S.: Massless interacting quantum fields in de Sitter spacetime. Ann Henri Poincare 13, 1039 (2012). arXiv:1105.1996 [gr-qc]

Garbrecht, B., Rigopoulos, G.: Self regulation of infrared correlations for massless scalar fields during inflation. Phys. Rev. D 84, 063516 (2011). arXiv:1105.0418

Garbrecht, B., Rigopoulos, G., Zhu, Y.: Infrared correlations in de sitter space: field theoretic vs. stochastic approach. Phys. Rev. D 89, 063506 (2014). arXiv:1310.0367

Nomura, Y.: Physical theories, eternal inflation, and quantum universe. JHEP 11, 063 (2011). arXiv:1104.2324 [hep-th]

Nomura, Y.: Quantum mechanics, spacetime locality, and gravity. Found. Phys. 43, 978 (2013). arXiv:1110.4630 [hep-th]

Bekenstein, J.D.: Black holes and entropy. Phys. Rev. D 7, 2333 (1973)

Hawking, S.: Gravitational radiation from colliding black holes. Phys. Rev. Lett. 26, 1344 (1971)

Goheer, N., Kleban, M., Susskind, L.: The Trouble with de Sitter space. JHEP 07, 056 (2003). arXiv:hep-th/0212209 [hep-th]

Banks, T.: Some thoughts on the quantum theory of stable de Sitter space. arXiv:hep-th/0503066

Giddings, S.B., Marolf, D.: A global picture of quantum de Sitter space. Phys. Rev. D 76, 064023 (2007). arXiv:0705.1178

Coleman, S.R.: The fate of the false vacuum. 1. Semiclassical theory. Phys. Rev. D 15, 2929 (1977)

Coleman, S.R., De Luccia, F.: Gravitational effects on and of vacuum decay. Phys. Rev. D 21, 3305 (1980)

Susskind, L.: The census taker’s hat. arXiv:0710.1129

Sekino, Y., Susskind, L.: Census taking in the hat: FRW/CFT duality. Phys. Rev. D 80, 083531 (2009). arXiv:0908.3844

Bousso, R., Susskind, L.: The Multiverse Interpretation of Quantum Mechanics. Phys. Rev. D 85, 045007 (2012). arXiv:1105.3796

Page, D.N.: Is our universe likely to decay within 20 billion years? Phys. Rev. D 78, 063535 (2008). arXiv:hep-th/0610079

Page, D.N.: Susskind’s challenge to the Hartle-Hawking no-boundary proposal and possible resolutions. JCAP 1, 004 (2007). arXiv:hep-th/0610199

Page, D.N.: Return of the Boltzmann brains. Phys. Rev. D 78, 063536 (2008). arXiv:hep-th/0611158

Page, D.N.: Is our universe decaying at an astronomical rate? Phys. Lett. B 669, 197 (2008). arXiv:hep-th/0612137

Page, D.N.: Possible anthropic support for a decaying universe: a cosmic doomsday argument. arXiv:0907.4153

Gott III, J.R.: Boltzmann brains: I’d rather see than be one. arXiv:0802.0233

Aaronson, S.: The ghost in the quantum turing machine. arXiv:1306.0159

Carroll, S.M.: What if time really exists? arXiv:0811.3772

Boddy, K.K., Carroll, S.M.: Can the Higgs boson save us from the menace of the Boltzmann brains? arXiv:1308.4686

Garriga, J., Vilenkin, A.: Recycling universe. Phys. Rev. D 57, 2230 (1998). arXiv:astro-ph/9707292

Linde, A.D.: Sinks in the Landscape, Boltzmann Brains, and the Cosmological Constant Problem. JCAP 1, 022 (2007). arXiv:hep-th/0611043

Polarski, D., Starobinsky, A.A.: Semiclassicality and decoherence of cosmological perturbations. Class. Quant. Grav. 13, 377 (1996). arXiv:gr-qc/9504030

Lombardo, F.C., Nacir D.L.: Decoherence during inflation: the generation of classical inhomogeneities. Phys. Rev. D 72, 063506 (2005). arXiv:gr-qc/0506051

Martineau, P.: On the decoherence of primordial fluctuations during inflation. Class. Quant. Grav. 24, 5817 (2007). arXiv:astro-ph/0601134

Burgess, C.P., Holman, R., Hoover, D.: Decoherence of inflationary primordial fluctuations. Phys. Rev. D 77, 063534 (2008). arXiv:astro-ph/0601646

Kiefer, C., Lohmar, I., Polarski, D., Starobinsky, A.A.: Pointer states for primordial fluctuations in inflationary cosmology. Class. Quant. Grav. 24, 1699 (2007). arXiv:astro-ph/0610700

Prokopec, T., Rigopoulos, G.I.: Decoherence from Isocurvature perturbations in Inflation. JCAP 11, 029 (2007). arXiv:astro-ph/0612067

Creminelli, P., Dubovsky, S., Nicolis, A., Senatore, L., Zaldarriaga, M.: The phase transition to slow-roll eternal inflation. JHEP 09, 036 (2008). arXiv:0802.1067

Dubovsky, S., Senatore, L., Villadoro, G.: Universality of the volume bound in slow-roll eternal inflation. JHEP 05, 035 (2012). arXiv:1111.1725

Martinec, E.J., Moore, W.E.: Modeling quantum gravity effects in inflation. arXiv:1401.7681

BICEP2 Collaboration; Ade, P, et al.: BICEP2 I: Detection of b-mode polarization at degree angular scales. Phys. Rev. Lett. 112, 241101 (2014). arXiv:1403.3985

Bousso, R.: Proliferation of de Sitter space. Phys. Rev. D 58, 083511 (1998). arXiv:hep-th/9805081

Bohm, D.: A suggested interpretation of the quantum theory in terms of ‘hidden’ variables. I. Phys. Rev. 85, 166 (1952)

Bohm, D.: A suggested interpretation of the quantum theory in terms of ‘hidden’ variables. II. Phys. Rev. 85, 180 (1952)

Dürr, D., Goldstein, S., Tumulka, R., Zanghì, N.: Bohmian mechanics and quantum field theory. Phys. Rev. Lett. 93, 090402 (2004)

Struyve, W.: Pilot-wave theory and quantum fields. Rept. Prog. Phys. 73, 106001 (2010). arXiv:0707.3685

Goldstein, S., Struyve, W., Tumulka, R.: The Bohmian approach to the problems of cosmological quantum fluctuations. arXiv:1508.01017

Ghirardi, G., Rimini, A., Weber, T.: A model for a unified quantum description of macroscopic and microscopic systems. In: Quantum Probability and Applications II, pp. 223–232. Springer (1985)

Ghirardi, G.C., Rimini, A., Weber, T.: Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems. Phys. Rev. D 34, 470 (1986)

Thông tin
Thông tin xuất bản

Foundations of Physics

Tập 46

702-735

Thông tin tác giả