stringtranslate.com

f(R) гравитация


f ( R ) — это типтеории гравитации , которая обобщает общую теорию относительности Эйнштейна . f ( R ) гравитация на самом деле является семейством теорий, каждая из которых определяется различной функцией f скаляра Риччи R . Простейшим случаем является просто равенство функции скаляру; это общая теория относительности. В результате введения произвольной функции может появиться свобода объяснения ускоренного расширения и формирования 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 Бухдалем [1] (хотявместо f использовалось ϕ для названия произвольной функции). Она стала активной областью исследований после работы Старобинского по космической инфляции . [2] Широкий спектр явлений может быть получен из этой теории путем принятия различных функций; Однако многие функциональные формы теперь можно исключить на основании наблюдений или из-за патологических теоретических проблем.

Введение

В гравитации f ( R ) делается попытка обобщить лагранжиан действия Эйнштейна -Гильберта : где — определитель метрического тензора , а f ( R ) — некоторая функция скаляра Риччи . [3 ]

Существует два способа отслеживать эффект изменения R на f ( R ), т. е. получить уравнения поля теории . Первый способ — использовать метрический формализм, а второй — использовать формализм Палатини. [3] Хотя эти два формализма приводят к одним и тем же уравнениям поля для общей теории относительности, т. е. когда f ( R ) = R , уравнения поля могут различаться, когда f ( R ) ≠ R .

Метрическаяф(Р) гравитация

Вывод уравнений поля

В метрической f ( R ) гравитации уравнения поля достигаются путем варьирования действия относительно метрики и не рассматриваются независимо от связи . Для полноты мы сейчас кратко упомянем основные шаги варьирования действия. Основные шаги такие же, как и в случае варьирования действия Эйнштейна–Гильберта (см. статью для более подробной информации), но есть и некоторые важные различия.

Вариация определителя, как всегда, имеет вид:

Скаляр Риччи определяется как

Поэтому его изменение относительно обратной метрики определяется выражением

Для второго шага см. статью о действии Эйнштейна–Гильберта . Поскольку — это разность двух связей, она должна преобразовываться как тензор. Поэтому ее можно записать как

Подставим в уравнение выше: где — ковариантная производная , а — оператор Даламбера .

Обозначая , вариация действия выглядит следующим образом:

Выполнив интегрирование по частям по второму и третьему членам (и пренебрегши граничными вкладами), получим:

Требуя, чтобы действие оставалось инвариантным относительно изменений метрики, , получаем уравнения поля: где — тензор энергии-импульса, определяемый как где — лагранжиан материи.

Обобщенные уравнения Фридмана

Предполагая метрику Робертсона–Уокера с масштабным коэффициентом, мы можем найти обобщенные уравнения Фридмана , которые будут иметь вид (в единицах, где ): где — параметр Хаббла , точка — производная по космическому времени t , а члены ρ m и ρ rad представляют плотности материи и излучения соответственно; они удовлетворяют уравнениям непрерывности :

Модифицированная гравитационная постоянная

Интересной особенностью этих теорий является тот факт, что гравитационная постоянная зависит от времени и масштаба. [4] Чтобы увидеть это, добавьте небольшое скалярное возмущение к метрике (в ньютоновской калибровке ): где Φ и Ψ — ньютоновские потенциалы, и используйте уравнения поля в первом порядке. После некоторых длинных вычислений можно определить уравнение Пуассона в пространстве Фурье и приписать дополнительные члены, которые появляются в правой части, эффективной гравитационной постоянной G eff . Сделав так, мы получим гравитационный потенциал (справедливый на масштабах ниже горизонта k 2a 2 H 2 ): где δ ρ m — возмущение плотности материи, k — масштаб Фурье, а G eff равен: с

Массивные гравитационные волны

Этот класс теорий при линеаризации демонстрирует три поляризационных режима для гравитационных волн , из которых два соответствуют безмассовому гравитону (спиральности ±2), а третий (скалярный) исходит из того факта, что если мы принимаем во внимание конформное преобразование, то теория четвертого порядка f ( R ) становится общей теорией относительности плюс скалярное поле . Чтобы увидеть это, определите и используйте уравнения поля выше, чтобы получить

Работая в первом порядке теории возмущений: и после некоторой утомительной алгебры, можно решить для метрического возмущения, которое соответствует гравитационным волнам. Конкретный компонент частоты для волны, распространяющейся в направлении z , может быть записан как где и v g ( ω ) = d ω /d k - групповая скорость волнового пакета h f , центрированного на волновом векторе k . Первые два члена соответствуют обычным поперечным поляризациям из общей теории относительности, в то время как третий соответствует новому массивному поляризационному режиму теорий f ( R ). Этот режим представляет собой смесь безмассового поперечного дыхательного режима (но не бесследового) и массивного продольного скалярного режима. [5] [6] Поперечные и бесследовые моды (также известные как тензорные моды) распространяются со скоростью света , но массивный скалярный режим движется со скоростью v G  < 1 (в единицах, где c  = 1), этот режим является дисперсионным. Однако в формализме метрики гравитации f ( R ) для модели (также известной как чистая модель) третья поляризационная мода является чистой дыхательной модой и распространяется со скоростью света через пространство-время. [7]

Эквивалентный формализм

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

Имеем уравнения Эйлера–Лагранжа :

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

В настоящее время мы работаем с системой отсчета Жордана . Выполняя конформное масштабирование: мы преобразуемся в систему отсчета Эйнштейна : после интегрирования по частям.

Определение и замена

Это общая теория относительности, связанная с реальным скалярным полем: использование теорий f ( R ) для описания ускоряющейся Вселенной практически эквивалентно использованию квинтэссенции . (По крайней мере, эквивалентно с той оговоркой, что мы еще не определили связи материи, поэтому (например) гравитация f ( R ), в которой материя минимально связана с метрикой (т. е. в системе Жордана), эквивалентна теории квинтэссенции, в которой скалярное поле опосредует пятую силу с гравитационной силой.)

Палатиниф(Р) гравитация

В гравитации Palatini f ( R ) метрика и связь рассматриваются независимо и действие изменяется относительно каждой из них по отдельности. Предполагается, что материальный лагранжиан не зависит от связи. Было показано, что эти теории эквивалентны теории Бранса–Дикке с ω = − 32 . [9] [10] Однако из-за структуры теории теории Palatini f ( R ) кажутся противоречащими Стандартной модели, [9] [11] могут нарушать эксперименты Солнечной системы, [10] и, по-видимому, создавать нежелательные сингулярности. [12]

Метрически-аффинныйф(Р) гравитация

В метрико-аффинной f ( R ) гравитации мы обобщаем вещи еще больше, рассматривая как метрику, так и связность независимо и предполагая, что лагранжиан материи также зависит от связности.

Наблюдательные тесты

Поскольку существует множество потенциальных форм гравитации f ( R ), трудно найти общие тесты. Кроме того, поскольку отклонения от общей теории относительности могут быть сделаны произвольно малыми в некоторых случаях, невозможно окончательно исключить некоторые модификации. Некоторый прогресс может быть достигнут без предположения конкретной формы для функции f ( R ) путем расширения Тейлора

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

Параметризованный постньютоновский формализм разработан для того, чтобы иметь возможность ограничивать общие модифицированные теории гравитации. Однако f ( R ) гравитация разделяет многие из тех же значений, что и общая теория относительности, и поэтому неразличима с помощью этих тестов. [15] В частности, отклонение света не меняется, поэтому f ( R ) гравитация, как и общая теория относительности, полностью согласуется с ограничениями из отслеживания Кассини . [13]

Старобинский гравитационный

Старобинская гравитация имеет следующий вид , где имеет размерность массы. [16]

Гравитация Старобинского обеспечивает механизм космической инфляции сразу после Большого взрыва , когда R все еще было большим. Однако она не подходит для описания современного ускорения Вселенной, поскольку в настоящее время R очень мало. [17] [18] [19] Это означает, что квадратичный член в пренебрежимо мал, т. е. мы стремимся к f ( R ) = R , что является общей теорией относительности с нулевой космологической постоянной .

Гравитация Гогои-Госвами

Гравитация Гогои-Госвами имеет следующую форму , где и — две безразмерные положительные константы, а R c — характеристическая константа кривизны. [20]

Тензорное обобщение

f ( R ) гравитация, представленная в предыдущих разделах, является скалярной модификацией общей теории относительности. В более общем смысле, мы можем иметь связь, включающую инварианты тензора Риччи и тензора Вейля . Особыми случаями являются f ( R ) гравитация, конформная гравитация , гравитация Гаусса–Бонне и гравитация Лавлока . Обратите внимание, что при любой нетривиальной тензорной зависимости мы обычно имеем дополнительные массивные степени свободы спина 2, в дополнение к безмассовому гравитону и массивному скаляру. Исключением является гравитация Гаусса–Бонне, где члены четвертого порядка для компонент спина 2 сокращаются.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Buchdahl, HA (1970). «Нелинейные лагранжианы и космологическая теория». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 150 : 1–8. Bibcode :1970MNRAS.150....1B. doi : 10.1093/mnras/150.1.1 .
  2. ^ Старобинский, АА (1980). «Новый тип изотропных космологических моделей без сингулярности». Physics Letters B. 91 ( 1): 99–102. Bibcode :1980PhLB...91...99S. doi :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». Physical Review D. 76 ( 2): 023514. arXiv : 0705.1032 . Bibcode : 2007PhRvD..76b3514T. doi : 10.1103/PhysRevD.76.023514. S2CID  119324187.
  5. ^ Лян, Диконг; Гун, Юнгуй; Хоу, Шаоци; Лю, Юньци (2017). «Поляризации гравитационных волн в f ( R ) гравитации». Phys. Rev. D . 95 (10): 104034. arXiv : 1701.05998 . Bibcode :2017PhRvD..95j4034L. doi :10.1103/PhysRevD.95.104034. S2CID  119005163.
  6. ^ Gogoi, Dhruba Jyoti; Dev Goswami, Umananda (2020). "Новая модель гравитации f(R) и свойства гравитационных волн в ней". The European Physical Journal C. 80 ( 12): 1101. arXiv : 2006.04011 . Bibcode : 2020EPJC...80.1101G. doi : 10.1140/epjc/s10052-020-08684-3. S2CID  219530929.
  7. ^ Gogoi, Dhruba Jyoti; Dev Goswami, Umananda (2022). "Gravitational Waves in f(R) Gravity Power Law Model". Indian Journal of Physics . 96 (2): 637. arXiv : 1901.11277 . Bibcode : 2022InJPh..96..637G. doi : 10.1007/s12648-020-01998-8. S2CID  231655238.
  8. ^ Де Феличе, Антонио; Цудзикава, Синдзи (2010). "f(R) Теории". Living Reviews in Relativity . 13 (1): 3. arXiv : 1002.4928 . Bibcode : 2010LRR ....13....3D. doi : 10.12942/lrr-2010-3 . PMC 5255939. PMID  28179828. 
  9. ^ ab Flanagan, EE (2004). «Свобода конформной системы отсчета в теориях гравитации». Classical and Quantum Gravity . 21 (15): 3817–3829. arXiv : gr-qc/0403063 . Bibcode : 2004CQGra..21.3817F. doi : 10.1088/0264-9381/21/15/N02. S2CID  117619981.
  10. ^ ab Olmo, GJ (2005). "Гравитационный лагранжиан согласно экспериментам в Солнечной системе". Physical Review Letters . 95 (26): 261102. arXiv : gr-qc/0505101 . Bibcode : 2005PhRvL..95z1102O. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.261102. PMID  16486333. S2CID  27440524.
  11. ^ Иглесиас, А.; Калопер, Н.; Падилла, А.; Парк, М. (2007). «Как (не) использовать формулировку Палатини скалярно-тензорной гравитации». Physical Review D. 76 ( 10): 104001. arXiv : 0708.1163 . Bibcode : 2007PhRvD..76j4001I. doi : 10.1103/PhysRevD.76.104001.
  12. ^ Barausse, E.; Sotiriou, TP; Miller, JC (2008). "Теорема о недопустимости для политропных сфер в гравитации Palatini f ( R )". Классическая и квантовая гравитация . 25 (6): 062001. arXiv : gr-qc/0703132 . Bibcode :2008CQGra..25f2001B. doi :10.1088/0264-9381/25/6/062001. S2CID  119370540.
  13. ^ ab Berry, CPL; Gair, JR (2011). "Линеаризованная f ( R ) гравитация: гравитационное излучение и тесты Солнечной системы". Physical Review D . 83 (10): 104022. arXiv : 1104.0819 . Bibcode :2011PhRvD..83j4022B. doi :10.1103/PhysRevD.83.104022. S2CID  119202399.
  14. ^ Cembranos, JAR (2009). "Темная материя из R 2 Gravity". Physical Review Letters . 102 (14): 141301. arXiv : 0809.1653 . Bibcode : 2009PhRvL.102n1301C. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.141301. PMID  19392422. S2CID  33042847.
  15. ^ Клифтон, Т. (2008). «Параметризованный постньютоновский предел теорий гравитации четвертого порядка». Physical Review D. 77 ( 2): 024041. arXiv : 0801.0983 . Bibcode : 2008PhRvD..77b4041C. doi : 10.1103/PhysRevD.77.024041. S2CID  54174617.
  16. ^ Старобинский, АА (1980). «Новый тип изотропных космологических моделей без сингулярности». Physics Letters B. 91 ( 1): 99–102. Bibcode :1980PhLB...91...99S. doi :10.1016/0370-2693(80)90670-X.
  17. ^ «Будет ли Вселенная расширяться вечно?». NASA . 24 января 2014 г. Получено 16 марта 2015 г.
  18. ^ Бирон, Лорен (7 апреля 2015 г.). «Наша Вселенная плоская». symmetrymagazine.org . FermiLab/SLAC.
  19. ^ Маркус Й. Ю (2011). «Неожиданные связи». Инженерное дело и наука . LXXIV1: 30.
  20. ^ Gogoi, Dhruba Jyoti; Dev Goswami, Umananda (2020). "Новая модель гравитации f(R) и свойства гравитационных волн в ней". The European Physical Journal C. 80 ( 12): 1101. arXiv : 2006.04011 . Bibcode : 2020EPJC...80.1101G. doi : 10.1140/epjc/s10052-020-08684-3. S2CID  219530929.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки