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 Веттерих (1988). [2] [3] 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 предложили назвать ее пятой фундаментальной силой . [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 только модели квинтэссенции с ненулевой константой связи . могут означать, что жизнеспособны [10]
Терминология [ править ]
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 ученые 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 [ править ]
Квинтэссенция ( Q ) — скалярное поле с уравнением состояния , где w q , отношение давления p q и плотности q , определяется потенциальной энергией и кинетический член:
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 [ править ]
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 прогнозируемой скорости расширения Вселенной, заданной решениями трекера, с космологическими данными, основная особенность решений трекера заключается в том, 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 [ править ]
Некоторые частные случаи квинтэссенции — это 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 приведет к увеличению расширения Вселенной со скоростью, превышающей экспоненциальную.
Голографическая темная энергия [ править ]
Голографические модели темной энергии по сравнению с моделями космологических постоянных предполагают высокую степень вырождения . [ нужны разъяснения ] [18] Было высказано предположение, что темная энергия может возникнуть в результате 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]
Пятый сценарий [ править ]
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]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Ратра, П.; Пиблс, Л. (1988). «Космологические следствия катящегося однородного скалярного поля» . Физический обзор D . 37 (12): 3406–3427. Бибкод : 1988PhRvD..37.3406R . дои : 10.1103/PhysRevD.37.3406 . ПМИД 9958635 .
- ^ Веттерих, К. (13 июня 1988 г.). «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 .
- ^ Доран, Майкл (1 октября 2001 г.). «Квинтэссенция и разделение пиков космического микроволнового фона» . Астрофизический журнал . 559 (2). и др.: 501–506. arXiv : astro-ph/0012139 . Бибкод : 2001ApJ...559..501D . дои : 10.1086/322253 . S2CID 119454400 – через Iopscience.
- ^ Перейти обратно: а б 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 . дои : 10.1103/PhysRevLett.80.1582 . S2CID 597168 .
- ^ 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 .
- ^ Веттерих, К. «Квинтэссенция – пятая сила вариации фундаментальной шкалы» (PDF) . Гейдельбергский университет.
- ^ 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 . ПМИД 11863992 . S2CID 32730355 .
- ^ Чиколи, Мишель; 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 .
- ^ Ванек, Кристофер. «Квинтэссенция, ускоряющая Вселенную?» . Астрономия сегодня .
- ^ 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 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevLett.82.896 . S2CID 119073006 .
- ^ Стейнхардт, П.; Ван, Л.; Златев, И. (1999). «Космологические решения слежения». Физический обзор D . 59 (12): 123504. arXiv : astro-ph/9812313 . Бибкод : 1999PhRvD..59l3504S . дои : 10.1103/PhysRevD.59.123504 . S2CID 40714104 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevD.78.023526 . S2CID 118288188 .
- ^ 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 .
- ^ Линдер, Эрик В.; Хутерер, Драган (2005). «Сколько космологических параметров». Физический обзор D . 72 (4): 043509. arXiv : astro-ph/0505330 . Бибкод : 2005PhRvD..72d3509L . дои : 10.1103/PhysRevD.72.043509 . S2CID 14722329 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . дои : 10.1103/PhysRevD.93.123520 . S2CID 18017360 .
- ^ 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 .
- ^ Гао, Шан (2013). «Объяснение голографической темной энергии» . Галактики . 1 (3): 180–191. Бибкод : 2013Galax...1..180G . дои : 10.3390/galaxies1030180 .
- ^ 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 .
- ^ Ху, Уэйн (2005). «Преодоление призрачного водораздела: внутренние степени свободы темной энергии». Физический обзор D . 71 (4): 047301. arXiv : astro-ph/0410680 . Бибкод : 2005PhRvD..71d7301H . дои : 10.1103/PhysRevD.71.047301 . S2CID 8791054 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Кристоф, Веттерих (24 сентября 1987 г.). «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 . S2CID 118970077 .
- Острайкер, JP; Стейнхардт, П. (январь 2001 г.). «Квинтэссенция Вселенной». Научный американец . 284 (1): 46–53. Бибкод : 2001SciAm.284a..46O . doi : 10.1038/scientificamerican0101-46 . ПМИД 11132422 .
- Краусс, Лоуренс М. (2000). Квинтэссенция: поиск недостающей массы во Вселенной . Основные книги . ISBN 978-0465037414 .