stringtranslate.com

Квинтэссенция (физика)

В физике квинтэссенция — это гипотетическая форма темной энергии , точнее скалярного поля , постулируемая как объяснение наблюдения ускоряющейся скорости расширения Вселенной. Первый пример этого сценария был предложен Ратрой и Пиблсом (1988) [1] и Веттерихом (1988). [2] [3] Эта концепция была расширена до более общих типов изменяющейся во времени темной энергии, а термин «квинтэссенция» был впервые введен в 1998 году в статье Роберта Р. Колдуэлла , Рахула Дэйва и Пола Стейнхардта . [4] Некоторые физики предположили, что это пятая фундаментальная сила . [5] [6] [7] [8] Квинтэссенция отличается от объяснения темной энергии космологической константой тем, что она динамична; то есть она меняется со временем, в отличие от космологической постоянной, которая по определению не меняется. Квинтэссенция может быть как притягивающей, так и отталкивающей в зависимости от соотношения ее кинетической и потенциальной энергии. Те, кто работает с этим постулатом, полагают, что квинтэссенция стала отталкивающей около десяти миллиардов лет назад, примерно через 3,5 миллиарда лет после Большого взрыва . [9]

В 2021 году группа исследователей заявила, что наблюдения за натяжением Хаббла могут означать, что жизнеспособны только модели квинтэссенции с ненулевой константой связи . [10]

Терминология

Название происходит от quinta essentia (пятый элемент). Названный так на латыни, начиная со средневековья, это был (первый) элемент, добавленный Аристотелем к другим четырем древним классическим элементам , поскольку он считал, что это сущность небесного мира. Аристотель утверждал, что это чистый, тонкий и первородный элемент. Позже учёные отождествили этот элемент с эфиром . Точно так же современная квинтэссенция была бы пятым известным «динамическим, зависящим от времени и пространственно неоднородным» вкладом в общее массово-энергетическое содержание Вселенной.

Конечно, остальные четыре компонента — это не древнегреческие классические элементы , а скорее « барионы , нейтрино , темная материя и [и] излучение ». Хотя нейтрино иногда считают излучением, термин «излучение» в этом контексте используется только для обозначения безмассовых фотонов . Пространственная кривизна космоса (которая не обнаружена) исключена, поскольку она нединамична и однородна; космологическая постоянная не будет считаться пятым компонентом в этом смысле, поскольку она нединамична, однородна и не зависит от времени. [4]

Скалярное поле

Квинтэссенция ( Q ) — скалярное поле с уравнением состояния , где w q , отношение давления p q и плотности q , задается потенциальной энергией и кинетическим членом:

Следовательно, квинтэссенция динамична и обычно имеет плотность и параметр w q , которые меняются со временем. Напротив, космологическая постоянная статична, имеет фиксированную плотность энергии и w q  = −1.

Поведение трекера

Многие модели квинтэссенции обладают отслеживающим поведением, которое, по мнению Ратры и Пиблса (1988) и Пола Стейнхардта и др. (1999) частично решает проблему космологической постоянной . [11] В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая точно соответствует (но меньше) плотности излучения до достижения равенства материи и излучения , что приводит к тому, что квинтэссенция начинает иметь характеристики, подобные темной энергии, и в конечном итоге доминирует во Вселенной. Это, естественно, устанавливает низкий масштаб темной энергии. [12] При сравнении предсказанной скорости расширения Вселенной, заданной решениями трекера, с космологическими данными, основной особенностью решений трекера является то, что для правильного описания поведения их уравнения состояния необходимы четыре параметра , [13] [14 ] ], тогда как было показано, что максимум двухпараметрическая модель может быть оптимально ограничена среднесрочными будущими данными (горизонт 2015–2020 гг.). [15]

Конкретные модели

Некоторыми особыми случаями квинтэссенции являются фантомная энергия , в которой w q  < −1, [16] и k-эссенция (сокращение от кинетической квинтэссенции), имеющая нестандартную форму кинетической энергии . Если бы этот тип энергии существовал, это вызвало бы большой разрыв [17] во Вселенной из-за растущей плотности энергии темной энергии, что привело бы к увеличению расширения Вселенной со скоростью, превышающей экспоненциальную.

Голографическая темная энергия

Голографические модели темной энергии по сравнению с моделями космологических постоянных предполагают высокую степень вырождения . [ необходимы разъяснения ] [18] Было высказано предположение, что темная энергия может возникать из квантовых флуктуаций пространства -времени и ограничена горизонтом событий Вселенной. [19]

Исследования квинтэссенции темной энергии показали, что она доминирует над гравитационным коллапсом в пространственно-временном моделировании, основанном на голографической термализации. Эти результаты показывают, что чем меньше параметр состояния квинтэссенции, тем труднее плазме термализоваться. [20]

Квинтомный сценарий

В 2004 году, когда ученые сопоставили эволюцию темной энергии с космологическими данными, они обнаружили, что уравнение состояния, возможно, пересекло границу космологической постоянной ( w = –1) сверху вниз. Доказанная теорема о запрете указывает на то, что эта ситуация, называемая сценарием Квинтома , требует как минимум двух степеней свободы для моделей темной энергии, включающих идеальные газы или скалярные поля. [21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ратра, П.; Пиблз, Л. (1988). «Космологические последствия катящегося однородного скалярного поля». Физический обзор D . 37 (12): 3406–3427. Бибкод : 1988PhRvD..37.3406R. дои : 10.1103/PhysRevD.37.3406 . ПМИД  9958635.
  2. ^ Веттерих, К. (13 июня 1988). «Космология и судьба дилатационной симметрии». Ядерная физика Б . 302 (4): 668–696. arXiv : 1711.03844 . Бибкод : 1988NuPhB.302..668W. дои : 10.1016/0550-3213(88)90193-9. ISSN  0550-3213. S2CID  118970077.
  3. ^ Доран, Майкл (1 октября 2001 г.). и другие. «Квинтэссенция и разделение пиков космического микроволнового фона». Астрофизический журнал . 559 (2): 501–506. arXiv : astro-ph/0012139 . Бибкод : 2001ApJ...559..501D. дои : 10.1086/322253. S2CID  119454400 – через Iopscience.
  4. ^ аб Колдуэлл, Р.Р.; Дэйв, Р.; Стейнхардт, П.Дж. (1998). «Космологический отпечаток энергетической составляющей с общим уравнением состояния». Письма о физических отзывах . 80 (8): 1582–1585. arXiv : astro-ph/9708069 . Бибкод : 1998PhRvL..80.1582C. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.1582. S2CID  597168.
  5. ^ Кэрролл, С.М. (1998). «Квинтэссенция и остальной мир: подавление дальних взаимодействий». Письма о физических отзывах . 81 (15): 3067–3070. arXiv : astro-ph/9806099 . Бибкод : 1998PhRvL..81.3067C. doi :10.1103/PhysRevLett.81.3067. S2CID  14539052.
  6. ^ Веттерих, К. «Квинтэссенция - пятая сила изменения фундаментальной шкалы» (PDF) . Гейдельбергский университет.
  7. ^ Двали, Гия; Салдарриага, Матиас (2002). «Изменение α со временем: последствия для экспериментов и квинтэссенции типа пятой силы» (PDF) . Письма о физических отзывах . 88 (9): 091303. arXiv : hep-ph/0108217 . Бибкод : 2002PhRvL..88i1303D. doi : 10.1103/PhysRevLett.88.091303. PMID  11863992. S2CID  32730355.
  8. ^ Чиколи, Микеле; Педро, Франсиско Г.; Тасинато, Джанмассимо (23 июля 2012 г.). «Природная квинтэссенция в теории струн». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2012 (7): 044. arXiv : 1203.6655 . Бибкод : 2012JCAP...07..044C. дои : 10.1088/1475-7516/2012/07/044. ISSN  1475-7516. S2CID  250808223.
  9. ^ Ванек, Кристофер. «Квинтэссенция, ускоряющая Вселенную?». Астрономия сегодня .
  10. ^ Кришнан, Четан; Мохаяи, Ройя; Колгайн, Эоин О; Шейх-Джаббари, ММ; Инь, Лу (16 сентября 2021 г.). «Сигнализирует ли напряжение Хаббла о разрушении космологии FLRW?». Классическая и квантовая гравитация . 38 (18): 184001. arXiv : 2105.09790 . Бибкод : 2021CQGra..38r4001K. дои : 10.1088/1361-6382/ac1a81. ISSN  0264-9381. S2CID  234790314.
  11. ^ Златев, И.; Ван, Л.; Стейнхардт, П. (1999). «Квинтэссенция, космическое совпадение и космологическая константа». Письма о физических отзывах . 82 (5): 896–899. arXiv : astro-ph/9807002 . Бибкод : 1999PhRvL..82..896Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.82.896. S2CID  119073006.
  12. ^ Стейнхардт, П.; Ван, Л.; Златев, И. (1999). «Космологические решения слежения». Физический обзор D . 59 (12): 123504. arXiv : astro-ph/9812313 . Бибкод : 1999PhRvD..59l3504S. doi :10.1103/PhysRevD.59.123504. S2CID  40714104.
  13. ^ Линден, Себастьян; Вирей, Жан-Марк (2008). «Тест параметризации Шевалье-Полярского-Линдера для уравнения быстрых переходов состояний темной энергии». Физический обзор D . 78 (2): 023526. arXiv : 0804.0389 . Бибкод : 2008PhRvD..78b3526L. doi : 10.1103/PhysRevD.78.023526. S2CID  118288188.
  14. ^ Феррамачо, Л.; Бланшар, А.; Зольнеровский Ю.; Риасуэло, А. (2010). «Ограничения эволюции темной энергии». Астрономия и астрофизика . 514 : А20. arXiv : 0909.1703 . Бибкод : 2010A&A...514A..20F. дои : 10.1051/0004-6361/200913271. S2CID  17386518.
  15. ^ Линдер, Эрик В.; Хутерер, Драган (2005). «Сколько космологических параметров». Физический обзор D . 72 (4): 043509. arXiv : astro-ph/0505330 . Бибкод : 2005PhRvD..72d3509L. doi : 10.1103/PhysRevD.72.043509. S2CID  14722329.
  16. ^ Колдуэлл, Р.Р. (2002). «Скрытая угроза? Космологические последствия компонента темной энергии со сверхотрицательным уравнением состояния». Буквы по физике Б. 545 (1–2): 23–29. arXiv : astro-ph/9908168 . Бибкод : 2002PhLB..545...23C. дои : 10.1016/S0370-2693(02)02589-3. S2CID  9820570.
  17. ^ Антониу, Иоаннис; Периволаропулос, Леандрос (2016). «Геодезика пространства-времени МакВитти на фантомном космологическом фоне». Физ. Преподобный Д. 93 (12): 123520. arXiv : 1603.02569 . Бибкод : 2016PhRvD..93l3520A. doi : 10.1103/PhysRevD.93.123520. S2CID  18017360.
  18. ^ Ху, Ячжоу; Ли, Мяо; Ли, Нэн; Чжан, Чжэньхуэй (2015). «Голографическая темная энергия с космологической константой». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2015 (8): 012. arXiv : 1502.01156 . Бибкод : 2015JCAP...08..012H. дои : 10.1088/1475-7516/2015/08/012. S2CID  118732915.
  19. ^ Гао, Шан (2013). «Объяснение голографической темной энергии». Галактики . 1 (3): 180–191. Бибкод : 2013Galax...1..180G. дои : 10.3390/galaxies1030180 .
  20. ^ Цзэн, Сяо-Сюн; Чен, Де-Ю; Ли, Ли-Фан (2015). «Голографическая термализация и гравитационный коллапс в пространстве-времени, где доминирует квинтэссенция темной энергии». Физический обзор D . 91 (4): 046005. arXiv : 1408.6632 . Бибкод : 2015PhRvD..91d6005Z. doi : 10.1103/PhysRevD.91.046005. S2CID  119107827.
  21. ^ Ху, Уэйн (2005). «Преодоление призрачного водораздела: внутренние степени свободы темной энергии». Физический обзор D . 71 (4): 047301. arXiv : astro-ph/0410680 . Бибкод : 2005PhRvD..71d7301H. doi : 10.1103/PhysRevD.71.047301. S2CID  8791054.

дальнейшее чтение