Nicht-singuläre oszillierende Kosmologie auf Randall-Sundrum II: Zusammenfassung und Einführung

Linktabelle

• Zusammenfassung und Einleitung
• Das kosmologische Modell
• Diskussion
• Danksagung
• Verweise

Abstrakt

Schlüsselwörter : oszillierendes Universum, Membranwelt, Rückprall, Wende, Phantom.

1. Einleitung

Das Standardmodell der Kosmologie des Urknalls ist mit einer anfänglichen Singularität (zum Zeitpunkt t = 0) behaftet. Die Friedmann-Gleichungen, die die zeitliche Entwicklung des Universums beschreiben, liefern keine plausible physikalische Beschreibung der Raum-Zeit-Dynamik. Der Grund dafür ist der divergierende Hubble-Parameter H, der eine Folge der unendlich großen Energiedichte im sehr frühen Universum ist. Die skalare Krümmung R divergiert ebenfalls, was bedeutet, dass die anfängliche Singularität eine Krümmungssingularität vom Ricci-Typ ist, die durch divergierende Energiedichten gekennzeichnet ist. Wie Hawking und Penrose in ihren berühmten Singularitätssätzen zeigen, kann die anfängliche Urknallsingularität in einem allgemein relativistischen (ART) Aufbau nicht vermieden werden, sofern die Energiebedingungen von der Materie, die das Universum füllt, eingehalten werden [4, 5]. Eines der Hauptprobleme der standardmäßigen inflationären Kosmologie besteht neben der Mehrdeutigkeit hinsichtlich der Natur des Inflatonfelds darin, dass die Inflation im Rahmen der ART nicht ewig andauern kann [6]. Wenn also der Inflation eine strahlungsdominierte Phase vorausgeht, ist der Ursprung des Universums singulär. Viele Kosmologen sind heute jedoch mit der anfänglichen Singularität unzufrieden und betrachten sie als Einschränkung der allgemeinen Relativitätstheorie bei der Beschreibung von Raumzeiten mit sehr hohen Energiedichten.

Wenn es keinen Urknall gibt, dann besteht die Möglichkeit, dass das Universum entweder eine Quantenschöpfung erlebt, bei der es zu einer quantenmechanischen Tunnelung in eine Inflationsphase kommt, oder dass das Universum für eine ewig lange Zeit in einem quasistatischen Zustand existierte, gefolgt von einer emergenten Inflationsphase, oder dass es einen nicht singulären Rückstoß gibt, der den singulären Urknall ersetzt, vor dem sich das Universum zusammenzieht und nach dem es sich ausdehnt. Im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie können die Szenarien des Emergenz- und Rückstoßes nur für ein räumlich geschlossenes Universum (k = 1) effektiv realisiert werden. Eine vollständig konsistente Behandlung der ersten Möglichkeit unter Berücksichtigung der Quantenschöpfung wird höchstwahrscheinlich eine Behandlung der Quantengravitation (QG) erfordern. Derzeit gibt es jedoch keine vollständig verstandene und entwickelte QG-Theorie, und die beiden am meisten akzeptierten Theorien, an denen in diesem Zusammenhang gearbeitet wird, sind die M-Theorie[7] mit zusätzlichen Dimensionen und die Schleifenquantengravitation (LQG)[8]. Die M-Theorie erfordert elf Raum-Zeit-Dimensionen für ihre Quantenkonsistenz, während die LQG die Raum-Zeit selbst in den üblichen vier Dimensionen quantisiert. Effektive Theorien aus beiden Szenarien sind in jüngster Zeit in Form der extradimensionalen Branenweltmodelle[9, 10] und der Modelle der effektiven Schleifenquantenkosmologie (LQC)[11, 12] populär geworden.

Es ist interessant festzustellen, dass, obwohl die Prämissen der QG-Hintergrundtheorien völlig unterschiedlich sind, es einige Ähnlichkeiten und identische Merkmale gibt, die aus einer Klasse der effektiven Branewelt- und LQC-Modelle gewonnen werden können, was auf eine versteckte Übereinstimmung zwischen den beiden kontrastierenden Ansätzen hindeuten könnte. In diesem Brief werden wir nur über Modelle sprechen, die Korrekturen an der Standard-GR im ultravioletten (UV) Maßstab einführen, da wir uns mit der Auflösung der anfänglichen Singularität befassen. Branewelt-Modelle haben die Eigenschaft, dass unser Universum durch eine (3 + 1)-dimensionale Hyperfläche dargestellt wird, die als „Brane“ bekannt ist (das sind Objekte, die in der M-Theorie erscheinen), die in eine höherdimensionale Bulk-Raumzeit eingebettet ist. Das Randall Sundrum-Einzelbrane-Modell (RS-II) ist ein solches Modell mit einer raumartigen zusätzlichen Dimension, was darauf hinweist, dass die Signatur des Bulk-Raums Lorentz-artig ist. Wenn die Signatur des Bulks von der ersteren abweicht, dann können wir eine Bulk-Signatur (−, −, +, +, +) haben, sodass die Branewelt eine zeitartige zusätzliche Dimension hat. Die Teilchen und Felder des Standardmodells sind auf die Membran beschränkt, während sich die Schwerkraft im Inneren frei ausbreiten kann.