Теория гравитации
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 2 ≫ a 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 = − 3 ⁄ 2 . [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
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ ab Л. Амендола и С. Цудзикава (2013) «Темная энергия, теория и наблюдения» Издательство Кембриджского университета
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ «Будет ли Вселенная расширяться вечно?». NASA . 24 января 2014 г. Получено 16 марта 2015 г.
- ^ Бирон, Лорен (7 апреля 2015 г.). «Наша Вселенная плоская». symmetrymagazine.org . FermiLab/SLAC.
- ^ Маркус Й. Ю (2011). «Неожиданные связи». Инженерное дело и наука . LXXIV1: 30.
- ^ 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
- См. главу 29 в учебнике «Частицы и квантовые поля» Кляйнерта, Х. (2016), World Scientific (Сингапур, 2016) (также доступно онлайн)
- Сотириу, Т. П.; Фараони, В. (2010). "f(R) Теории гравитации". Reviews of Modern Physics . 82 (1): 451–497. arXiv : 0805.1726 . Bibcode :2010RvMP...82..451S. doi :10.1103/RevModPhys.82.451. S2CID 15024691.
- Сотириу, TP (2009). "6+1 уроков из f(R) гравитации". Журнал физики: Серия конференций . 189 (9): 012039. arXiv : 0810.5594 . Bibcode : 2009JPhCS.189a2039S. doi : 10.1088/1742-6596/189/1/012039. S2CID 14820388.
- Capozziello, S.; De Laurentis, M. (2011). «Расширенные теории гравитации». Physics Reports . 509 (4–5): 167–321. arXiv : 1108.6266 . Bibcode : 2011PhR...509..167C. doi : 10.1016/j.physrep.2011.09.003. S2CID 119296243.
- Сальваторе Капоцциелло и Мариафелисия Де Лаурентис, (2015) « F ( R ) теории гравитации». Scholarpedia, doi:10.4249/scholarpedia.31422
- Калвакота, Вайбхав Р., (2021) «Исследование f ( R )» гравитации и космологии». Архив препринтов по математической физике, https://web.ma.utexas.edu/mp_arc/c/21/21-38.pdf
Внешние ссылки
- f(R) гравитация на arxiv.org
- Расширенные теории гравитации