stringtranslate.com

f(R) гравитация

f ( R ) — это разновидность модифицированной теории гравитации , которая обобщает общую теорию относительности Эйнштейна . f ( R ) гравитация насамом деле представляет собой семейство теорий, каждая из которых определяется отдельной функцией f скаляра Риччи R . Самый простой случай — это просто функция, равная скаляру; это общая теория относительности. В результате введения произвольной функции может появиться свобода объяснять ускоренное расширение и формирование структуры Вселенной без добавления неизвестных форм темной энергии или темной материи . Некоторые функциональные формы могут быть вдохновлены поправками, вытекающими из квантовой теории гравитации . f ( R ) гравитация была впервые предложена в 1970 году Гансом Адольфом Бухдалом [1] (хотядля названия произвольной функциииспользовалось φ , а не f ). Это стало активной областью исследований после работы Старобинского по космической инфляции . [2] Из этой теории можно получить широкий спектр явлений, приняв различные функции; однако многие функциональные формы теперь могут быть исключены на основании наблюдений или из-за патологических теоретических проблем.

Введение

В гравитации f ( R ) пытаются обобщить лагранжиан действия Эйнштейна – Гильберта :

тензораРиччи[3]

Есть два способа отследить эффект изменения на , т.е. получить уравнения поля теории . Первый — использовать метрический формализм, второй — формализм Палатини. [3] Хотя два формализма приводят к одним и тем же уравнениям поля для общей теории относительности, т. е. при , уравнения поля могут различаться при .

Метрическая f ( R ) гравитация

Вывод уравнений поля

В метрической гравитации f ( R ) к уравнениям поля приходят, варьируя действие относительно метрики и не рассматривая связь независимо. Для полноты картины мы кратко упомянем теперь основные этапы вариации действия. Основные шаги те же, что и в случае вариации действия Эйнштейна–Гильберта (подробнее см. в статье), но есть и некоторые важные различия.

Вариация определителя, как всегда:

Скаляр Риччи определяется как

Поэтому его изменение относительно обратной метрики определяется выражением

О втором шаге см. статью о действии Эйнштейна–Гильберта . Поскольку это разница двух связей, она должна преобразоваться как тензор. Следовательно, это можно записать как

Подставив в уравнение выше:

где – ковариантная производная , – оператор Даламбера .

Обозначая , вариант действия гласит:

Интегрируя по частям по второму и третьему слагаемым (и пренебрегая граничными вкладами), получаем:

Требуя, чтобы действие оставалось инвариантным при изменении метрики , получаем уравнения поля:

тензор энергии-импульса,

Обобщенные уравнения Фридмана

Предполагая метрику Робертсона-Уокера с масштабным коэффициентом, мы можем найти обобщенные уравнения Фридмана (в единицах, где ):

параметр Хабблаtρ mρ радуравнениям непрерывности

Модифицированная постоянная Ньютона

Интересной особенностью этих теорий является тот факт, что гравитационная постоянная зависит от времени и масштаба. [4] Чтобы убедиться в этом, добавим к метрике небольшое скалярное возмущение (в ньютоновской калибровке ):

ΦΨуравнение ПуассонаG effмасштабах2 a 2 H 2 )
δ ρ mkG eff

Массивные гравитационные волны

Этот класс теорий при линеаризации демонстрирует три режима поляризации гравитационных волн , два из которых соответствуют безмассовому гравитону (спиральность ±2), а третий (скалярный) обусловлен тем фактом, что если мы примем во внимание конформное преобразование, Теория четвертого порядка f ( R ) становится общей теорией относительности плюс скалярное поле . Чтобы увидеть это, определите

Работая над первым порядком теории возмущений:

z

и v g ( ω ) = d ω /d kгрупповая скорость волнового пакета h f с центром на волновом векторе k . Первые два члена соответствуют обычным поперечным поляризациям из общей теории относительности, а третий соответствует новой моде массивной поляризации в теориях f ( R ). Этот режим представляет собой смесь безмассовой поперечной моды дыхания (но не бесследовой) и массивной продольной скалярной моды. [5] [6] Поперечные и бесследовые моды (также известные как тензорные моды) распространяются со скоростью света , но массивная скалярная мода движется со скоростью v G  < 1 (в единицах, где c  = 1), эта мода дисперсионный. Однако в формализме гравитационной метрики f ( R ) для модели (также известной как чистая модель) третья мода поляризации является чистой дыхательной модой и распространяется со скоростью света в пространстве-времени. [7]

Эквивалентный формализм

При некоторых дополнительных условиях [8] можно упростить анализ теорий f ( R ), введя вспомогательное поле Φ . Предполагая, что для всех R , пусть V ( Φ ) будет преобразованием Лежандра f ( R ) , так что и . Тогда получается действие О'Хэнлона (1972):

Имеем уравнения Эйлера–Лагранжа

Исключив Φ , получим точно такие же уравнения, как и раньше. Однако уравнения имеют только второй порядок по производным, а не четвертый.

В настоящее время мы работаем с рамкой Jordan . Выполнив конформное масштабирование

систему Эйнштейна

Определение и замена

Это общая теория относительности, соединенная с реальным скалярным полем: использование теории f ( R ) для описания ускоряющейся Вселенной практически эквивалентно использованию квинтэссенции . (По крайней мере, это эквивалентно оговорке, что мы еще не определили связи материи, поэтому (например) гравитация f ( R ), в которой материя минимально связана с метрикой (т. е. в жордановой системе координат), эквивалентна теории квинтэссенции в котором скалярное поле является посредником пятой силы с силой гравитации.)

Палатини f ( R ) гравитация

В Палатини f ( R ) гравитации метрику и связь рассматривают независимо и варьируют действие по отношению к каждой из них в отдельности. Лагранжиан материи предполагается независимым от связи. Было показано, что эти теории эквивалентны теории Бранса – Дике с ω = - 32 . [9] [10] Однако из-за структуры теории теории Палатини f ( R ) кажутся противоречащими Стандартной модели, [9] [11] могут нарушать эксперименты Солнечной системы, [10] и кажутся создавать нежелательные особенности. [12]

Метрическая аффинная f ( R ) гравитация

В метрически-аффинной гравитации f ( R ) можно обобщать вещи еще дальше, рассматривая как метрику, так и связь независимо, и предполагая, что лагранжиан материи также зависит от связи.

Наблюдательные испытания

Поскольку существует множество потенциальных форм f ( R )-гравитации, трудно найти общие тесты. Кроме того, поскольку в некоторых случаях отклонения от общей теории относительности могут быть сколь угодно малы, невозможно окончательно исключить некоторые модификации. Некоторого прогресса можно добиться, не принимая конкретную форму функции f ( R ) путем расширения Тейлора

Первый член подобен космологической постоянной и должен быть мал. Следующий коэффициент a 1 может быть установлен равным единице, как и в общей теории относительности. Для метрической гравитации f ( R ) (в отличие от гравитации Палатини или метрически-аффинной f ( R ) гравитации) квадратичный член лучше всего ограничивается измерениями пятой силы , поскольку это приводит к поправке Юкавы к гравитационному потенциалу. Лучшие текущие границы | 2 | _ <4 × 10 −9  м 2 или эквивалентно | 2 | _ <2,3 × 10 22  ГэВ -2 . [13] [14]

Параметризованный постньютоновский формализм предназначен для ограничения общих модифицированных теорий гравитации. Однако гравитация f ( R ) имеет многие из тех же значений, что и общая теория относительности, и поэтому неотличима с помощью этих тестов. [15] В частности, отклонение света остается неизменным, поэтому гравитация f ( R ), как и Общая теория относительности, полностью соответствует границам слежения Кассини . [13]

Старобинский гравитационный

Гравитация Старобинского имеет следующий вид

[16]

Гравитация Старобинского обеспечивает механизм космической инфляции сразу после Большого взрыва , когда она еще была большой. Однако оно не подходит для описания нынешнего ускорения Вселенной , поскольку в настоящее время оно очень мало. [17] [18] [19] Это означает, что квадратичный член в пренебрежимо мал, т. е. человек стремится к тому, что является общей теорией относительности с нулевой космологической постоянной .

Гравитация Гогои-Госвами

Гравитация Гогои-Госвами имеет следующий вид

[20]

Тензорное обобщение

f ( R ) гравитация, представленная в предыдущих разделах, представляет собой скалярную модификацию общей теории относительности. В более общем смысле мы можем иметь

Риччитензора ВейляfR ), конформная гравитациягравитация Гаусса – Боннегравитация Лавлока

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бухдал, HA (1970). «Нелинейные лагранжианы и космологическая теория». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 150 : 1–8. Бибкод : 1970MNRAS.150....1B. дои : 10.1093/mnras/150.1.1 .
  2. ^ Старобинский, А.А. (1980). «Новый тип изотропных космологических моделей без сингулярности». Буквы по физике Б. 91 (1): 99–102. Бибкод : 1980PhLB...91...99S. дои : 10.1016/0370-2693(80)90670-X.
  3. ^ ab Л. Амендола и С. Цудзикава (2013) «Темная энергия, теория и наблюдения» Издательство Кембриджского университета
  4. ^ Цудзикава, Синдзи (2007). «Возмущения плотности материи и эффективная гравитационная постоянная в модифицированных гравитационных моделях темной энергии». Физический обзор D . 76 (2): 023514. arXiv : 0705.1032 . Бибкод : 2007PhRvD..76b3514T. doi : 10.1103/PhysRevD.76.023514. S2CID  119324187.
  5. ^ Лян, Диконг; Гонг, Юнги; Хоу, Шаоци; Лю, Юньци (2017). «Поляризации гравитационных волн в f(R)-гравитации». Физ. Преподобный Д. 95 (10): 104034. arXiv : 1701.05998 . Бибкод : 2017PhRvD..95j4034L. doi : 10.1103/PhysRevD.95.104034. S2CID  119005163.
  6. ^ Гогои, Дхруба Джьоти; Дев Госвами, Умананда (2020). «Новая модель гравитации f(R) и свойства гравитационных волн в ней». Европейский физический журнал C . 80 (12): 1101. arXiv : 2006.04011 . Бибкод : 2020EPJC...80.1101G. doi : 10.1140/epjc/s10052-020-08684-3. S2CID  219530929.
  7. ^ Гогои, Дхруба Джьоти; Дев Госвами, Умананда (2022). «Гравитационные волны в модели степенного закона гравитации f(R)». Индийский физический журнал . 96 (2): 637. arXiv : 1901.11277 . Бибкод : 2022InJPh..96..637G. doi : 10.1007/s12648-020-01998-8. S2CID  231655238.
  8. ^ Де Феличе, Антонио; Цудзикава, Синдзи (2010). «Теории f(R)». Живые обзоры в теории относительности . 13 (1): 3. arXiv : 1002.4928 . Бибкод : 2010LRR....13....3D. дои : 10.12942/lrr-2010-3. ПМЦ 5255939 . ПМИД  28179828. 
  9. ^ аб Фланаган, Э.Э. (2004). «Конформная свобода отсчета в теориях гравитации». Классическая и квантовая гравитация . 21 (15): 3817–3829. arXiv : gr-qc/0403063 . Бибкод : 2004CQGra..21.3817F. дои : 10.1088/0264-9381/21/15/N02. S2CID  117619981.
  10. ^ аб Олмо, GJ (2005). «Гравитационный лагранжиан согласно экспериментам Солнечной системы». Письма о физических отзывах . 95 (26): 261102. arXiv : gr-qc/0505101 . Бибкод : 2005PhRvL..95z1102O. doi :10.1103/PhysRevLett.95.261102. PMID  16486333. S2CID  27440524.
  11. ^ Иглесиас, А.; Калопер, Н.; Падилья, А.; Парк, М. (2007). «Как (не) использовать формулировку Палатини скалярно-тензорной гравитации». Физический обзор D . 76 (10): 104001. arXiv : 0708.1163 . Бибкод : 2007PhRvD..76j4001I. doi :10.1103/PhysRevD.76.104001.
  12. ^ Бараус, Э.; Сотириу, ТП; Миллер, Дж. К. (2008). «Теорема о запрете для политропных сфер в гравитации Палатини f ( R )». Классическая и квантовая гравитация . 25 (6): 062001. arXiv : gr-qc/0703132 . Бибкод : 2008CQGra..25f2001B. дои : 10.1088/0264-9381/25/6/062001. S2CID  119370540.
  13. ^ аб Берри, CPL; Гейр, младший (2011). «Линеаризованная f ( R ) гравитация: гравитационное излучение и испытания Солнечной системы». Физический обзор D . 83 (10): 104022. arXiv : 1104.0819 . Бибкод : 2011PhRvD..83j4022B. doi : 10.1103/PhysRevD.83.104022. S2CID  119202399.
  14. ^ Сембранос, JAR (2009). «Темная материя из R 2 Gravity». Письма о физических отзывах . 102 (14): 141301. arXiv : 0809.1653 . Бибкод : 2009PhRvL.102n1301C. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.141301. PMID  19392422. S2CID  33042847.
  15. ^ Клифтон, Т. (2008). «Параметризованный постньютоновский предел теорий гравитации четвертого порядка». Физический обзор D . 77 (2): 024041. arXiv : 0801.0983 . Бибкод : 2008PhRvD..77b4041C. doi : 10.1103/PhysRevD.77.024041. S2CID  54174617.
  16. ^ Старобинский, А.А. (1980). «Новый тип изотропных космологических моделей без сингулярности». Буквы по физике Б. 91 (1): 99–102. Бибкод : 1980PhLB...91...99S. дои : 10.1016/0370-2693(80)90670-X.
  17. ^ «Будет ли Вселенная расширяться вечно?». НАСА . 24 января 2014 года . Проверено 16 марта 2015 г.
  18. Бирон, Лорен (7 апреля 2015 г.). «Наша Вселенная плоская». сайт симметрии . ФермиЛаб/SLAC.
  19. ^ Маркус Ю. Ю (2011). «Неожиданные связи». Инженерия и наука . LXXIV1: 30.
  20. ^ Гогои, Дхруба Джьоти; Дев Госвами, Умананда (2020). «Новая модель гравитации f(R) и свойства гравитационных волн в ней». Европейский физический журнал C . 80 (12): 1101. arXiv : 2006.04011 . Бибкод : 2020EPJC...80.1101G. doi : 10.1140/epjc/s10052-020-08684-3. S2CID  219530929.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки