Эта статья может быть слишком технической, чтобы ее могло понять большинство читателей . Июль 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( |
е ( R ) представляет собой тип модифицированной гравитационной теориикоторая обобщает Эйнштейна общей теории относительности . е ( Р ) гравитации на самом деле семейство теорий, каждая изопределяется другой функцией, F , от Риччи скаляр , R . В простейшем случае функция равна скаляру; это общая теория относительности. Вследствие введения произвольной функции может появиться свобода объяснения ускоренного расширения и формирования структуры Вселенной без добавления неизвестных форм темной энергии илитемная материя . Некоторые функциональные формы могут быть вдохновлены поправками, вытекающими из квантовой теории гравитации . Гравитация f ( R ) была впервые предложена в 1970 году Хансом Адольфом Бухдалом [1] (хотя для названия произвольной функции использовалось ϕ, а не f ). Это стало 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 [ править ]
В f ( R ) гравитации пытаются обобщить лагранжиан действия Эйнштейна – Гильберта :
к
где - определитель метрического тензора , а - некоторая функция от скаляра Риччи .
Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . ( Июль 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Метрическая f ( R ) гравитация [ править ]
Вывод полевых уравнений [ править ]
В метрике гравитации f ( R ) к уравнениям поля приходят, варьируя по метрике и не рассматривая связь независимо. Для полноты картины кратко упомянем основные этапы вариации действия. Основные шаги такие же, как и в случае вариации действия Эйнштейна – Гильберта (подробнее см. В статье), но есть и некоторые важные отличия.
Вариация определителя, как всегда:
Риччи скалярным определяются как
Следовательно, его вариация относительно обратной метрики определяется выражением
Второй шаг - в статье о действии Эйнштейна – Гильберта . Поскольку это разность двух связей, она должна преобразовываться как тензор. Следовательно, его можно записать как
Подставляя в уравнение выше:
где это производная ковариантной и является оператором Даламбера .
Обозначая , изменение действия гласит:
Выполняя интегрирование по частям по второму и третьему слагаемым (без учета граничных вкладов), получаем:
Требуя, чтобы действие оставалось инвариантным при изменении метрики, получаем уравнения поля:
где - тензор энергии-импульса, определяемый как
где - лагранжиан материи.
Обобщенные уравнения Фридмана [ править ]
Предполагая метрику Робертсона – Уокера с масштабным фактором, мы можем найти, что обобщенные уравнения Фридмана будут (в единицах где ):
куда
точка представляет собой производную по космическому времени t , а члены ρ m и ρ rad представляют плотности вещества и излучения соответственно; они удовлетворяют уравнениям неразрывности:
Измененная константа Ньютона [ править ]
Интересной особенностью этих теорий является тот факт, что гравитационная постоянная зависит от времени и масштаба. [3] Чтобы увидеть это, добавьте небольшое скалярное возмущение к метрике (в ньютоновской калибровке ):
где Φ и Ψ - ньютоновские потенциалы и используют уравнения поля первого порядка. После некоторых длительных вычислений можно определить уравнение Пуассона в пространстве Фурье и связать дополнительные члены, появляющиеся в правой части, с эффективной гравитационной постоянной G eff . Таким образом, мы получаем гравитационный потенциал (справедливый для субгоризонтных масштабов k 2 ≫ a 2 H 2 ):
где δ ρ m - возмущение плотности вещества, k - масштаб Фурье, а G eff :
с
Массивные гравитационные волны [ править ]
Этот класс теорий при линеаризации демонстрирует три режима поляризации для гравитационных волн , две из которых соответствуют безмассовому гравитону (спиральности ± 2), а третья (скалярная) исходит из того факта, что, если мы принимаем во внимание конформное преобразование, Теория четвертого порядка f ( R ) становится общей теорией относительности плюс скалярное поле . Чтобы увидеть это, определите
и используйте приведенные выше уравнения поля, чтобы получить
Работая с первым порядком теории возмущений:
и после некоторой утомительной алгебры можно найти возмущение метрики, которое соответствует гравитационным волнам. Конкретная частотная составляющая для волны, распространяющейся в направлении z , может быть записана как
куда
и v г ( ω ) = D ω / д к является групповой скоростью из волнового пакета ч е с центром на волновом вектор к . Первые два члена соответствуют обычным поперечным поляризациям из общей теории относительности, а третий соответствует новой массивной поляризационной моде теорий f ( R ). Поперечные моды распространяются со скоростью света , но скалярная мода движется со скоростью v G <1 (в единицах, где c = 1), эта мода является дисперсионной.
Эквивалентный формализм [ править ]
При определенных дополнительных условиях [4] мы можем упростить анализ теорий f ( R ), введя вспомогательное поле Φ . Предполагая для всех R , пусть V ( Φ ) - преобразование Лежандра функции f ( R ), так что и . Тогда получается действие О'Хэнлона (1972):
У нас есть 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 порядок.
В настоящее время мы работаем с рамой Jordan . Выполнив конформное масштабирование
преобразуем в систему отсчета Эйнштейна :
после интеграции по частям.
Определение и замена
Это общая теория относительности в сочетании с реальным скалярным полем: использование теорий f ( R ) для описания ускоряющейся Вселенной практически эквивалентно использованию квинтэссенции . (По крайней мере, эквивалентно оговорке о том, что мы еще не указали связи материи, поэтому (например) гравитация f ( R ), в которой материя минимально связана с метрикой (то есть в системе Жордана), эквивалентна теории квинтэссенции в котором скалярное поле передает пятую силу с гравитационной силой.)
Палатини f ( R ) гравитация [ править ]
В гравитации Палатини f ( R ) каждый трактует метрику и связность независимо и варьирует действие по отношению к каждой из них отдельно. Предполагается, что лагранжиан материи не зависит от связи. Эти теории было показано, что эквивалентно теории Отруби-Дике с со = - 3 / 2 . [5] [6] Из-за структуры теории, однако, теории Палатини f ( R ), по-видимому, противоречат Стандартной модели, [5] [7] могут противоречить экспериментам в Солнечной системе, [6]и, кажется, создают нежелательные особенности. [8]
Метрически-аффинная f ( R ) гравитация [ править ]
В метрическо-аффинной гравитации f ( R ) можно еще больше обобщить, рассматривая как метрику, так и связность независимо, и предполагая, что лагранжиан материи также зависит от связи.
Наблюдательные тесты [ править ]
Поскольку существует много потенциальных форм f ( R ) гравитации, трудно найти общие тесты. Кроме того, поскольку в некоторых случаях отклонения от общей теории относительности могут быть сколь угодно малыми, невозможно окончательно исключить некоторые модификации. Некоторый прогресс может быть достигнут, не принимая конкретную форму функции f ( R ), которую Тейлор разлагает
Первый член подобен космологической постоянной и должен быть небольшим. Следующий коэффициент a 1 можно установить равным единице, как в общей теории относительности. Для метрической гравитации f ( R ) (в отличие от гравитации Палатини или метрически-аффинной f ( R ) гравитации) квадратичный член лучше всего ограничивается измерениями пятой силы , поскольку это приводит к поправке Юкавы к гравитационному потенциалу. Лучшие текущие границы | а 2 | <4 × 10 −9 м 2 или аналогичный | а 2 | <2.3 × 10 22 ГэВ −2 . [9] [10]
Параметризованных постньютоновский формализм предназначен , чтобы иметь возможность ограничить общие модифицированные теории гравитации. Однако гравитация f ( R ) имеет многие из тех же значений, что и общая теория относительности, и поэтому ее нельзя отличить с помощью этих тестов. [11] В частности, отклонение света не изменилось, поэтому гравитация f ( R ), как и общая теория относительности, полностью согласуется с границами слежения Кассини . [9]
Старобинская гравитация [ править ]
Старобинская гравитация имеет следующий вид
где имеет габариты масса. [12]
Тензорное обобщение [ править ]
Гравитация f ( R ), представленная в предыдущих разделах, является скалярной модификацией общей теории относительности. В более общем плане мы можем иметь
муфта с участием инварианты Риччи тензора и тензора Вейля . Особые случаи F ( R ) тяжесть, конформная гравитация , Гаусс-Bonnet тяжесть и Лавлки тяжесть . Обратите внимание, что при любой нетривиальной тензорной зависимости у нас обычно есть дополнительные массивные степени свободы со спином 2 в дополнение к безмассовому гравитону и массивному скаляру. Исключение составляет гравитация Гаусса – Бонне, где члены четвертого порядка для компонентов со спином 2 сокращаются.
См. Также [ править ]
- Расширенные теории гравитации
- Гаусс-Бонне гравитация
- Гравитация Лавлока
Ссылки [ править ]
- ^ Buchdahl, НА (1970). «Нелинейные лагранжианы и космологическая теория» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 150 : 1–8. Bibcode : 1970MNRAS.150 .... 1B . DOI : 10.1093 / MNRAS / 150.1.1 .
- Перейти ↑ Starobinsky, AA (1980). «Новый тип изотропных космологических моделей без сингулярности». Физика Письма Б . 91 (1): 99–102. Bibcode : 1980PhLB ... 91 ... 99S . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (80) 90670-X .
- ^ Tsujikawa, 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 .
- ^ Де Феличе, Антонио; Цудзикава, Синдзи (2010). «Теории f (R)» . Живые обзоры в теории относительности . 13 (1): 3. arXiv : 1002,4928 . Bibcode : 2010LRR .... 13 .... 3D . DOI : 10.12942 / LRR-2010-3 . PMC 5255939 . PMID 28179828 .
- ^ а б Фланаган, EE (2004). «Свобода конформной рамки в теориях гравитации». Классическая и квантовая гравитация . 21 (15): 3817–3829. arXiv : gr-qc / 0403063 . Bibcode : 2004CQGra..21.3817F . DOI : 10.1088 / 0264-9381 / 21/15 / N02 . S2CID 117619981 .
- ^ a b Olmo, GJ (2005). "Гравитационный лагранжиан согласно экспериментам Солнечной системы". Письма с физическим обзором . 95 (26): 261102. arXiv : gr-qc / 0505101 . Bibcode : 2005PhRvL..95z1102O . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.95.261102 . PMID 16486333 . S2CID 27440524 .
- ^ Иглесиас, А .; Kaloper, N .; Padilla, A .; 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 .; Сотириу, Т.П .; Миллер, JC (2008). "Запретная теорема для политропных сфер в Палатини f ( R ) гравитации". Классическая и квантовая гравитация . 25 (6): 062001. arXiv : gr-qc / 0703132 . Bibcode : 2008CQGra..25f2001B . DOI : 10.1088 / 0264-9381 / 25/6/062001 . S2CID 119370540 .
- ^ a b Берри, CPL; Гейр, младший (2011). «Линеаризованная гравитация f ( R ): Гравитационное излучение и испытания 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». Письма с физическим обзором . 102 (14): 141301. arXiv : 0809.1653 . Bibcode : 2009PhRvL.102n1301C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.141301 . PMID 19392422 . S2CID 33042847 .
- Перейти ↑ Clifton, T. (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 .
- Перейти ↑ Starobinsky, AA (1980). «Новый тип изотропных космологических моделей без сингулярности». Физика Письма Б . 91 : 99–102. Bibcode : 1980PhLB ... 91 ... 99S . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (80) 90670-X .
Дальнейшее чтение [ править ]
- См. Главу 29 в учебнике «Частицы и квантовые поля» Кляйнерта, Х. (2016), World Scientific (Сингапур, 2016) (также доступно в Интернете )
- Сотириу, Т.П .; Фараони, В. (2010). "f (R) теории гравитации". Обзоры современной физики . 82 (1): 451–497. arXiv : 0805.1726 . Bibcode : 2010RvMP ... 82..451S . DOI : 10.1103 / RevModPhys.82.451 . S2CID 15024691 .
- Сотириу, Т.П. (2009). «6 + 1 урок по гравитации f (R)». 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 .; Де Лаурентис, М. (2011). «Расширенные теории гравитации». Отчеты по физике . 509 (4–5): 167–321. arXiv : 1108,6266 . Bibcode : 2011PhR ... 509..167C . DOI : 10.1016 / j.physrep.2011.09.003 . S2CID 119296243 .
Внешние ссылки [ править ]
- f ( R ) гравитация на arxiv.org
- Расширенные теории гравитации