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有关熵力宇宙学的相关研究

-- 近期“ScienceNews”报道我中心的一个科研工作

爱因斯坦的广义相对论是目前公认的描述引力相互作用的经典理论,然而,引力的量子化一直是个悬而未决的难题。通常理论表明,引力场是不可重整的,它的量子效应在紫外能标下会变得很重要,并具有非微扰的性质。这个能标远远超过了通常的加速器所能制备的标度,而唯一能够实现它的“实验室”便是我们的宇宙本身。在宇宙学中,早期引力的量子效应不但影响了当时的背景演化,还能被适当地保存至今并得到观测。我们对宇宙微波背景辐射的一系列观测实验充分地证明了这一点。

全息原理是反映引力的非微扰量子效应的一个重要体现。早在黑洞热力学被建立的时候,人们就已经意识到,引力的微观状态不再与系统的体积相关,而是由面积所决定,这正好与全息效应连在一起。最近,荷兰阿姆斯特丹大学的著名理论物理学家 Eric Verlinde 提出爱因斯坦引力可能不是一个基本理论,取而代之的是某个具有全息熵的边界体系(简称全息屏)的量子统计力学,广义相对论仅为描述该全息屏所带来的宏观效应的有效理论。这个理念的提出在国际上带来了一系列相关话题的热烈研究。其中,日本东京大学的 Damien Easson ,美国加州大学圣巴巴拉分校的 Paul Frampton ,以及美国伯克利国家实验室的诺贝尔奖获得者 George Smoot 根据该理念提出了一个相应的量子场论描述,该场论模型引入了一个对应于全息屏的边界项,并由该边界项产生的熵力可以实现宇宙晚期的加速膨胀。然而,根据这一模型的预言,今天宇宙的边界屏的温度远远低于微波背景辐射的温度,由此很容易推算出宇宙在早期几乎没有辐射和物质主导时代,这严重违反了天文观测。 高能所理论室的博士研究生蔡一夫、刘杰 和中心副研究员李虹 提出了一个新的想法, 通过引入两个全息屏成功地描述了满足观测的标准宇宙学图像。其中,一个是类似 deSitter 视界的外屏,另一个是类似 Schwarzschild 视界的内屏,每个全息屏都具有自身的全息统计性质。通过两个全息屏的熵力之间的制约,宇宙会经历从极早期的非热平衡状态演化到热平衡的过程,这一过程恰好描述了宇宙从暴涨时期演化至辐射和物质主导时期的热膨胀历史。到了晚期,通过 Hawking 辐射的量子蒸发机制,内屏会完全蒸发掉,于是触发了宇宙的第二次“暴涨”,即今天的宇宙加速膨胀时代。这个双屏全息宇宙模型自洽地解释了宇宙的演化历史,并可以很好地符合当前的天文观测数据。

该研究工作已发表在 Phys. Lett. B 上( Physics Letters B. Volume 690, June 21, 2010, p. 213-219 ) . 近期 “ScienceNews” 对这一工作做了报道 ( 相关链接为 http://www.sciencenews.org/view/feature/id/63190/title/A_New_View_of_Gravity ). 报道中的相关部分为 :

“Not only can entropy explain the current acceleration of cosmic expansion, it also might explain the rapid burst of expansion, termed inflation, that occurred in a flash just after the Big Bang. In a paper posted in March ( arXiv.org/abs/1003.4526 ), physicists at the Chinese Academy of Sciences in Beijing — Yi-Fu Cai, Jie Liu and Hong Li — suggest the need for two holographic screens: an outer screen at the universe's horizon and an inner screen, something like the horizon of a black hole. In the early universe, entropies of the two screens generate the expansion of the universe. Further calculations involving quantum effects explain the universe's early burst of inflation. Acceleration of the expansion, later in the life of the universe, would occur after the inner horizon evaporates away — just as black holes do by Hawking radiation.”