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 Пиблзом (1988) [1] и Веттерихом (1988). [2] [3] Концепция была расширена до более общих типов изменяющейся во времени темной энергии, а термин «квинтэссенция» был впервые введен в статье 1998 года Роберта Р. Колдуэлла , Рахула Дейва и Пола Стейнхардта . [4] Некоторые физики предложили считать ее пятой фундаментальной силой . [5] [6] [7] [8] Квинтэссенция отличается от объяснения темной энергии с помощью космологической константы тем, что она динамична; то есть она изменяется со временем, в отличие от космологической константы, 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]

Группа исследователей в 2021 году утверждала, что наблюдения за напряжением Хаббла могут означать, что жизнеспособны только модели квинтэссенции с ненулевой константой связи . [10]

Терминология

Название происходит от quinta essentia (пятый элемент). Так его называли на латыни, начиная со Средних веков, это был (первый) элемент, добавленный Аристотелем к другим четырем древним классическим элементам, потому что он считал его сущностью небесного мира. Аристотель постулировал его как чистый, тонкий и первобытный элемент. Более поздние ученые отождествляли этот элемент с эфиром . Аналогично, современная квинтэссенция была бы пятым известным «динамическим, зависящим от времени и пространственно неоднородным» вкладом в общее содержание массы и энергии во вселенной.

Конечно, остальные четыре компонента не являются древнегреческими классическими элементами , а скорее « барионами , нейтрино , темной материей , [и] излучением ». Хотя нейтрино иногда считаются излучением, термин «излучение» в этом контексте используется только для обозначения безмассовых фотонов . Пространственная кривизна космоса (которая не была обнаружена) исключается, 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 ) — это 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, как правило, имеет плотность и параметр w q , которые меняются со временем. Напротив, космологическая константа статична, с фиксированной плотностью энергии и w q  = −1.

Поведение трекера

Многие модели квинтэссенции имеют поведение трекера , которое, согласно Ратре и Пиблзу (1988) и Полу Стейнхардту и др. (1999), частично решает проблему космологической постоянной . [11] В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая близко отслеживает (но меньше) плотность излучения до тех пор, пока не наступит равенство материи и излучения , что заставляет квинтэссенцию приобретать характеристики, подобные темной энергии, в конечном итоге доминируя во вселенной. Это, естественно, устанавливает низкий масштаб темной энергии. [12] При сравнении предсказанной скорости расширения вселенной, заданной решениями трекера, с космологическими данными, главной особенностью решений трекера является то, что для правильного описания поведения их уравнения состояния требуется четыре параметра , [13] [14] тогда как было показано, что максимум двухпараметрическая модель может оптимально ограничиваться данными о среднесрочном будущем (горизонт 2015–2020 гг.). [15]

Конкретные модели

Некоторые особые случаи квинтэссенции — это фантомная энергия , в которой w q  < −1, [16] и k-эссенция (сокращение от кинетической квинтэссенции), которая имеет нестандартную форму кинетической энергии . Если бы этот тип энергии существовал, он бы вызвал большой разрыв [17] во Вселенной из-за растущей плотности энергии темной энергии, что привело бы к расширению Вселенной со скоростью, превышающей экспоненциальную.

Голографическая темная энергия

Голографические модели темной энергии, по сравнению с моделями космологической постоянной, подразумевают высокую вырожденность . [ необходимо разъяснение ] [18] Было высказано предположение, что темная энергия может возникать из квантовых флуктуаций пространства -времени и ограничена горизонтом событий Вселенной. [19]

Исследования с темной энергией квинтэссенции показали, что она доминирует над гравитационным коллапсом в моделировании пространства-времени, основанном на голографической термализации. Эти результаты показывают, что чем меньше параметр состояния квинтэссенции, тем сложнее плазме термализоваться. [20]

сценарий Квинтом

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 недопустимости указывает, что эта ситуация, называемая сценарием Квинтома , требует по крайней мере двух степеней свободы для моделей темной энергии, включающих идеальные газы или скалярные поля. [21]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ратра, П.; Пиблз, Л. (1988). «Космологические последствия катящегося однородного скалярного поля». Physical Review D. 37 ( 12): 3406–3427. Bibcode : 1988PhRvD..37.3406R. doi : 10.1103/PhysRevD.37.3406 . PMID  9958635.
  2. ^ Wetterich, C. (1988-06-13). «Космология и судьба симметрии дилатации». Nuclear Physics B. 302 ( 4): 668–696. arXiv : 1711.03844 . Bibcode :1988NuPhB.302..668W. doi :10.1016/0550-3213(88)90193-9. ISSN  0550-3213. S2CID  118970077.
  3. ^ Доран, Майкл (2001-10-01). «Квинтэссенция и разделение пиков космического микроволнового фона». The Astrophysical Journal . 559 (2). et al.: 501–506. arXiv : astro-ph/0012139 . Bibcode : 2001ApJ...559..501D. doi : 10.1086/322253. S2CID  119454400 – через Iopscience.
  4. ^ ab Caldwell, RR; Dave, R.; Steinhardt, PJ (1998). «Космологический отпечаток энергетической компоненты с общим уравнением состояния». Physical Review Letters . 80 (8): 1582–1585. arXiv : astro-ph/9708069 . Bibcode : 1998PhRvL..80.1582C. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.1582. S2CID  597168.
  5. ^ Кэрролл, SM (1998). «Квинтэссенция и остальной мир: подавление дальних взаимодействий». Physical Review Letters . 81 (15): 3067–3070. arXiv : astro-ph/9806099 . Bibcode : 1998PhRvL..81.3067C. doi : 10.1103/PhysRevLett.81.3067. S2CID  14539052.
  6. ^ Веттерих, К. «Квинтэссенция – пятая сила из вариации фундаментальной гаммы» (PDF) . Гейдельбергский университет.
  7. ^ Двали, Джиа; Залдарриага, Матиас (2002). «Изменение α со временем: выводы для экспериментов с пятой силой и квинтэссенцией» (PDF) . Physical Review Letters . 88 (9): 091303. arXiv : hep-ph/0108217 . Bibcode :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.; Ванг, Л.; Стейнхардт, П. (1999). «Квинтэссенция, космическое совпадение и космологическая константа». Physical Review Letters . 82 (5): 896–899. arXiv : astro-ph/9807002 . Bibcode : 1999PhRvL..82..896Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.82.896. S2CID  119073006.
  12. ^ Steinhardt, P.; Wang, L.; Zlatev, I. (1999). "Cosmological tracking solutions". Physical Review D. 59 ( 12): 123504. arXiv : astro-ph/9812313 . Bibcode : 1999PhRvD..59l3504S. doi : 10.1103/PhysRevD.59.123504. S2CID  40714104.
  13. ^ Линден, Себастьян; Вирей, Жан-Марк (2008). "Тест параметризации Шевалье-Полярского-Линдера для быстрого уравнения переходов состояний темной энергии". Physical Review D. 78 ( 2): 023526. arXiv : 0804.0389 . Bibcode : 2008PhRvD..78b3526L. doi : 10.1103/PhysRevD.78.023526. S2CID  118288188.
  14. ^ Ferramacho, L.; Blanchard, A.; Zolnierowsky, Y.; Riazuelo, A. (2010). «Ограничения на эволюцию темной энергии». Астрономия и астрофизика . 514 : A20. arXiv : 0909.1703 . Bibcode : 2010A&A...514A..20F. doi : 10.1051/0004-6361/200913271. S2CID  17386518.
  15. ^ Линдер, Эрик В.; Хутерер, Драган (2005). «Сколько космологических параметров». Physical Review D. 72 ( 4): 043509. arXiv : astro-ph/0505330 . Bibcode : 2005PhRvD..72d3509L. doi : 10.1103/PhysRevD.72.043509. S2CID  14722329.
  16. ^ Колдуэлл, RR (2002). «Призрачная угроза? Космологические последствия компонента темной энергии со сверхотрицательным уравнением состояния». Physics Letters B. 545 ( 1–2): 23–29. arXiv : astro-ph/9908168 . Bibcode : 2002PhLB..545...23C. doi : 10.1016/S0370-2693(02)02589-3. S2CID  9820570.
  17. ^ Антониу, Иоаннис; Периволаропулос, Леандрос (2016). «Геодезические линии пространства-времени МакВитти с фантомным космологическим фоном». Phys. Rev. D. 93 ( 12): 123520. arXiv : 1603.02569 . Bibcode : 2016PhRvD..93l3520A. doi : 10.1103/PhysRevD.93.123520. S2CID  18017360.
  18. ^ Ху, Ячжоу; Ли, Мяо; Ли, Нань; Чжан, Чжэньхуэй (2015). «Голографическая темная энергия с космологической константой». Журнал космологии и астрочастичной физики . 2015 (8): 012. arXiv : 1502.01156 . Bibcode : 2015JCAP...08..012H. doi : 10.1088/1475-7516/2015/08/012. S2CID  118732915.
  19. ^ Гао, Шань (2013). «Объяснение голографической темной энергии». Галактики . 1 (3): 180–191. Bibcode :2013Galax...1..180G. doi : 10.3390/galaxies1030180 .
  20. ^ Цзэн, Сяо-Сюн; Чэнь, Дэ-Ю; Ли, Ли-Фан (2015). «Голографическая термализация и гравитационный коллапс в пространстве-времени, в котором доминирует квинтэссенция темной энергии». Physical Review D. 91 ( 4): 046005. arXiv : 1408.6632 . Bibcode : 2015PhRvD..91d6005Z. doi : 10.1103/PhysRevD.91.046005. S2CID  119107827.
  21. ^ Ху, Уэйн (2005). «Преодоление фантомного разрыва: внутренние степени свободы темной энергии». Physical Review D. 71 ( 4): 047301. arXiv : astro-ph/0410680 . Bibcode : 2005PhRvD..71d7301H. doi : 10.1103/PhysRevD.71.047301. S2CID  8791054.

Дальнейшее чтение