Quantum entanglement in cosmology
University of Siena（锡耶纳大学）；School of Science and Technology, University of Camerino（卡梅里诺大学理学院）；Al-Farabi Kazakh National University（阿尔法拉比哈萨克国立大学）
本文综述了宇宙学中量子纠缠的研究进展，涵盖膨胀时空中的引力粒子产生、纠缠收割协议以及黑洞时空中纠缠熵与黑洞熵和信息悖论的关系。
2025-06-04 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Astro 2020 Science White Paper: Fundamental Cosmology in the Dark Ages with 21-cm Line Fluctuations
黑暗时代是宇宙微波背景的最后一次散射和第一个光源出现之间的时期，跨度约为1100 < z < 30。唯一已知的测量这个时代波动的方法是通过中性氢的21厘米线。这样的观测在宇宙学上具有巨大的潜力，因为它们跨越很大的体积，而波动即使在小尺度上也保持线性。因此，在这一时期对21厘米波动的观测可以限制我们宇宙的基本方面，包括膨胀和任何暗物质的奇异物理。虽然这些低频21厘米观测的观测挑战是巨大的，特别是来自地球环境的挑战，但它们代表了宇宙学的一个重要目标。
2019-03-14 astro-ph.CO
Relative information entropy in cosmology: The problem of information entanglement
相对信息熵是区分宇宙紧致域上局部非均匀质量密度场与其空间平均质量密度场的必要信息。Kullback-Leibler（KL）公式在这种情况下非常自然地出现，然而，它提供了一种非常复杂的方法来计算在现实的非均匀模型中空间分离但因果连接的宇宙区域之间的互信息。为了避免这个问题，通过考虑KL测度的参数扩展，我们发展了一个简单的模型来描述通过引力场方程纠缠的互信息。我们证明了Tsallis相对熵在小的不均匀性的情况下可以是一个很好的近似，并且为了度量域内的独立相对信息，我们提出了Rényi相对熵公式。
2016-04-23 astro-ph.CO cond-mat.stat-mech gr-qc
Variable Speed of Light Cosmology, Primordial Fluctuations and Gravitational Waves
本文描述了一种可变光速宇宙学，其中产生原初微扰的因果机制是通过改变原初时代的光速来实现的。这就为解释宇宙宇宙微波背景和大尺度结构的形成提供了一种替代暴胀理论的解释。解决了宇宙学中的初值视界和平坦性问题。该模型预测原始标量和张量波动谱指数$n_s=0.96$和$n_t=- 0.04$，分别。我们利用$δ{\cal N}$形式来识别原始非线性波动的特征，这使得VSL模型与暴胀模型区分开来。特别地，我们发现在光速可变宇宙学中参数$f_{\rm NL}=5$。参数$g_{\rm NL}$的值在原始时期演变并显示运行行为。
2016-03-18 astro-ph.CO gr-qc
Effective dynamics of quantum fluctuations in field theory: with applications to cosmology
本研究提出一种规避算符/希尔伯特空间形式、基于经典变量与有效哈密顿量的场论量子涨落新框架，验证了其与标准形式的一致性，可处理含时反作用，修正了哈勃视界内模式初始真空的传统假设，为早期宇宙量子涨落及CMB大尺度反常提供新解释。
2024-04-22 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Quantum Stress Tensor Fluctuation Effects in Inflationary Cosmology
本文综述了暴胀宇宙学中共形场量子应力张量效应的几个相关研究。将特别注意量子应力张量涨落作为密度源和膨胀模型中的张量扰动的影响。这些影响可能取决于膨胀期间的总膨胀系数，因此比人们预期的要大得多。它们有可能对原始扰动谱贡献非尺度不变和非高斯分量，并且可能是可观测的。
2011-08-22 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Mechanical cosmology: simulating scalar fluctuations in expanding Universes using synthetic mechanical lattices
本文提出将FLRW宇宙膨胀模型映射到反馈耦合机械振子晶格，通过实验模拟真空能量和物质主导的两种膨胀情景，验证了机械晶格作为宇宙学模拟平台的可行性。
2025-04-20 astro-ph.CO cond-mat.mes-hall gr-qc
Scale Invariant Density Perturbations from Cyclic Cosmology
它示出了如何在CBE（回来空）循环宇宙学的收缩时代的辐射的量子波动可以提供密度波动，重新进入视界在随后的膨胀时代，并在最低阶的尺度不变，在哈里森-泽尔'多维奇-皮布尔斯的意义上，作为必要的大尺度结构的观察是一致的。
2015-08-04 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Quantum Stress Tensor Fluctuations of a Conformal Field and Inflationary Cosmology
我们讨论了在膨胀过程中引入的额外的扰动量子应力张量波动的共形不变的领域，如光子。我们认为这两个运动学模型，它只处理与膨胀波动的测地线，和动力学模型，它把耦合的应力张量波动的标量暴胀。根据温伯格的定理，在这两个模型中，我们都没有发现后期的增长。相反，我们发现的是一个修正，这个修正随着通货膨胀的开始而变大。这种修正是非高斯的，并且高度依赖于尺度，因此从观测到的功率谱中没有这种效应可能意味着对暴胀总持续时间的约束。我们讨论了不同的观点的有效性微扰理论在很早的时候，目前可观察到的模式是transplanckian。
2010-05-25 astro-ph.CO gr-qc
Classical Entanglement Structure in the Wavefunction of Inflationary Fluctuations
我们认为，出现在一个纯量子态的首选经典变量是由它的纠缠结构的冗余记录的形式：信息之间共享的许多子系统。聚焦于早期宇宙，我们问经典度规微扰如何从暴胀背景下的真空涨落中产生。我们表明，超视界模式的量子态的压缩，以及最小的引力相互作用，导致退相干和指数数量的记录非常大的尺度上的度量波动，$λ/λ_{\rm Hubble}>Δ_ζ^{-2/3}$，其中$Δ_ζ\lesssim 10^{-5}$是标量度量波动的幅度。这决定了暴胀波函数的一个优选的分解成正交的“分支”，对应于经典的度量扰动，它定义了暴胀熵产生率，并解释了随机的非均匀时空几何的出现。
2017-12-11 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Cosmological dark energy effects from entanglement
通过假设量子纠缠测度与可观测宇宙之间可能存在的联系，解决了信息论与宇宙学之间的棘手问题。特别是，我们提出了一个宇宙学玩具模型，宇宙流体的状态方程，驱动今天观察到的宇宙加速度，可以推断出从量子纠缠之间的不同宇宙学时代。这样，动态的暗能量就成为量子纠缠的副产品。
2013-02-24 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Impact of quantum entanglement on spectrum of cosmological fluctuations
我们研究了de Sitter空间中两个因果分离的开图之间的纠缠对真空涨落谱的影响。我们考虑一个自由质量标量场，并构造约化的密度矩阵通过跟踪真空状态的开放的图表之一，最近由Maldacena和Pimentel导出。利用约化的密度矩阵，我们给出了真空均方涨落的形式，并证明了无质量标量场的标度不变谱在小尺度上是可以实现的。另一方面，我们发现量子纠缠在与曲率半径相当或更大的尺度上影响光谱的形状。
2014-12-07 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Constraints on Pre-inflation Fluctuations in a Nearly Flat Open ΛCDM Cosmology
我们分析了在一个开放的暴胀模型中表征暴胀前宇宙的参数的约束，该模型具有一个目前稍微开放的$Λ$ CDM宇宙。我们采用一个分析模型表明，对于一个广泛的类的暴胀产生的有效势，简单的要求，即观察到的偶极矩的一部分代表一个预暴胀等曲率波动允许一个设置上下限的大小和波长尺度的暴胀子场的暴胀前波动，和暴胀前宇宙的曲率，作为暴胀开始时暴胀子场中总初始能量密度的分数的函数。我们估计，如果预膨胀的贡献，目前的CMB偶极子是由{ \it普朗克}合作设定的上限附近，然后对$Λ$ CDM宇宙学参数的当前约束允许一个显着开放的$Ω_{i} \le 0.4$预膨胀宇宙的可能性，在暴胀开始时的暴胀子场的总能量的一个广泛的分数。如果允许更大的暗流倾斜，则对$Ω_{i}$的限制甚至更小。
2015-11-23 astro-ph.CO
Will Nonlinear Peculiar Velocity and Inhomogeneous Reionization Spoil 21cm Cosmology from the Epoch of Reionization?
来自再电离时期的21厘米背景是一个很有前途的宇宙学探测器：视线速度起伏扭曲红移，因此傅立叶空间中的亮度起伏取决于角度，线性理论表明可以将宇宙学信息与天体物理信息分开。然而，电离、密度和速度的非线性波动改变了这一点。分离方案的有效性和准确性进行了测试，在这里的第一次，详细的再电离模拟。该方案在再电离早期（< 40%电离）工作得相当好，但在再电离晚期（> 80%电离）则不好。
2013-03-01 astro-ph.CO astro-ph.IM
Fluctuations in a Hořava-Lifshitz Bouncing Cosmology
霍瓦瓦-利夫希茨引力是一个潜在的紫外完备理论，对早期宇宙有着重要的意义。特别是，在空间曲率的存在下，有可能获得非奇异的弹跳宇宙学。这种反弹是由于引力作用中的高阶空间曲率项而实现的。在这里，我们扩展了研究的线性宇宙学扰动在Hoenava-Lifshitz引力耦合到物质的情况下，空间曲率。在没有空间曲率的情况下，我们发现标量度量扰动没有额外的动力学自由度。我们研究的波动通过反弹的演变，并表明，解决方案始终保持非奇异。如果我们从收缩阶段亚哈勃尺度上的量子真空涨落开始，并且如果收缩阶段由无压物质主导，那么对于$λ= 1$和红外极限，后期的扰动是尺度不变的。因此，霍瓦瓦-利夫希茨引力可以实现结构形成的“物质反弹”情景。
2009-11-28 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Entanglement Entropy of Cosmological Perturbations
我们证明了起源于极早期宇宙中量子真空涨落的宇宙学扰动的熵，包括主导非线性相互作用的贡献，可以被看作亚哈勃模和超哈勃模之间的动量空间纠缠熵.这些模式之间的相互作用，导致退相干的超哈勃波动，这反过来又导致一个非零熵的约化密度矩阵对应的超哈勃不均匀性。特别是，将其应用于暴胀宇宙学揭示了主导阶非线性产生的纠缠熵主导来自真空态的压缩，除非通货膨胀持续很短的时间。此外，要求这个纠缠熵小于标准宇宙学辐射阶段开始时的热熵，会导致暴胀持续时间的上限，这与从跨普朗克审查猜想中获得的结果相似。
2020-11-11 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Constraints on moduli cosmology from the production of dark matter and baryon isocurvature fluctuations
我们设定的约束模量宇宙学的生产暗物质-辐射和重子-辐射等曲率波动通过模量衰减，假设在膨胀过程中的模量保持轻。我们发现，当参数空间m_σ（modulus mass）- σ_{inf}（modulus vev at the end of inflation）中的一个重要部分受到未观测到的显著等曲率波动的约束时，模问题在微扰水平上变得更糟。我们详细讨论的演变的模量VEV和扰动，特别是哈勃尺度修正的模量潜力和随机运动的膨胀过程中的模量的后果。特别地，我们证明了一个高模质量标度m_σ> 100 TeV，它允许模逃避大爆炸核合成的约束，在微扰水平上受到强烈的约束.我们发现，一般来说，解决模量问题需要的暴胀规模远远小于10^{13} GeV。
2009-04-28 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Imprint of entanglement entropy in the power spectrum of inflationary fluctuations
如果暴胀子耦合到填充后暴胀阶段的其他自由度，则这种耦合修改暴胀子\emph{during}暴胀的动力学。我们认为轻费米子汤川耦合到暴胀子作为“不可观测”的自由度集成的总密度矩阵。追踪这些自由度产生一个\emph{mixed}密度矩阵，其时间演化由有效场论描述。我们表明，耦合导致丰富的费米子对生产的超哈勃暴胀子波动，导致\emph{growth of entanglement entropy during inflation}。暴胀子涨落的功率谱特征在于尺度不变性违反$\mathcal{P}(k) = \mathcal{P}_0(k)\,\,\exp\{8\,ξ_k\}$，并对\emph{index and its running directly correlated with the entanglement entropy}进行了修正：$S_{vN} = - \sum_{k} \Big[ \ln(1-ξ_k) + \frac{ξ_k\,\ln(ξ_k)}{1-ξ_k} \Big]$。对于超哈勃起伏，我们发现$ξ_k = -\frac{Y^2}{48π^2}\Big\{2\,N_T\,\ln(k/k_f) + \ln^2(k/k_f)\Big\}$与$Y$汤川耦合，$N_T$的e-折叠的总数在通货膨胀期间，和$k_f$的“枢轴”规模对应的模式，在通货膨胀结束时穿过哈勃半径。
2018-07-17 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Exact solution to perturbative conformal cosmology in the recombination era
研究了与共形引力相关的宇宙学中的宇宙学扰动理论，建立了它的分解定理的有效性，并利用该定理在复合时代给出了该理论的精确解。我们的方法的核心是使用一个完全规范不变的宇宙学波动方程的制定。在复合时代，不仅微扰理论是适用的，因为它的特定结构，在共形的情况下，波动方程被发现大大简化。使用标量，矢量和张量波动模式的主方程，我们表明，径向方程的三维矢量和张量模式分别是相同的标量模式在5和7个空间维度。这使我们能够构造三维模式的归一化条件。
2020-11-17 astro-ph.CO gr-qc
Constraining Density Fluctuations with Big Bang Nucleosynthesis in the Era of Precision Cosmology
当密度涨落的长度尺度超过中子扩散长度（BBN处的$\sim 10^7-10^8$ cm），并且涨落的幅度足够小以防止引力坍缩时，我们重新研究了具有大尺度重子密度不均匀性的大爆炸核合成。在这个极限下，最终的轻元素丰度可以通过简单地混合来自不同重子/光子比的区域的丰度而不相互作用来确定。我们检查高斯，对数正态分布和伽马分布的重子/光子比，$η$。结果表明，在$η$中，氘和锂-7丰度随均方根涨落的增加而增加，而对氦-4丰度的影响较小。我们发现，这些增加的氘和锂-7丰度是詹森不等式的后果，我们推导出这些丰度的小RMS波动的限制解析近似。原始氘丰度的观测上限限制了$η$的RMS波动小于$η$平均值的$17\%$。这为我们提供了一个关于早期宇宙颗粒性的新极限。
2018-08-21 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Primordial Fluctuations in String Cosmology
本论文致力于基于弦论的暴胀情景研究。暴胀是宇宙早期短暂的加速膨胀，它为宇宙学标准大爆炸模型（SBBM）的问题提供了自然的解释。暴胀理论在现象学上的成功，为无数努力建立它与粒子物理学的联系提供了动力。弦论是高能尺度统一理论的有力竞争者，是寻找暴胀理论基础的一个明显框架。因此，我们试图确定由弦论激发的暴胀情景的特征，以及它们的观测结果。特别是，我们将感兴趣的膜膨胀模型，其中的暴胀场具有非正则动力学和再加热的时代被解释为（反）膜的相互湮灭。这份文件包含一个介绍宇宙学和弦论以及模型建设的努力untertaken在他们的交叉点在最近几年。在论文中发表的科学文章都有一个简短的摘要，并在arXiv上单独提供。
2010-02-10 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
The Trans-Planckian Problem for Inflationary Cosmology Revisited
我们考虑一个暴胀宇宙模型，在这个模型中，加速膨胀阶段之前是一个非奇异的反弹和一个包含减速阶段的收缩阶段。我们遵循的波动，退出哈勃半径在辐射为主的收缩阶段的量子真空波动，重新进入哈勃半径在通货紧缩期间和重新交叉在阶段的通货膨胀。演化的波动使用广义相对论线性微扰方程，我们发现，他们退出哈勃半径在通货膨胀期间不具有标度不变的光谱，但具有高度红色的光谱与指数$n_s = -3$。我们还表明，波动的反作用限制了通货紧缩的时间间隔。我们的玩具模型表明，无论是跨普朗克问题的宇宙学扰动和反反应效应的暴胀宇宙学的重要性。首先，在不理解普朗克尺度物理和暴胀之前的阶段的情况下，当微扰在晚些时候离开哈勃半径时，将微扰置于其局部真空状态是一个不平凡的假设。第二，波动的反作用效应会对背景产生重要影响。
2009-03-15 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
The Cosmic Microwave Background: The history of its experimental investigation and its significance for cosmology
本文介绍了1965年宇宙微波背景辐射的发现及其对随后50年宇宙学的影响。这一发现建立了宇宙的大爆炸模型，对其波动的分析证实了暴胀的想法，并导致了当今精确宇宙学的时代。我讨论了宇宙学扰动的演化及其作为温度涨落和偏振对宇宙微波背景辐射的影响。我还展示了暴胀膨胀的一个阶段如何在时空曲率和原始引力波中产生波动。此外，我提出的CMB实验的结果，从最早的到最近的。这些实验的精确性帮助我们以前所未有的精确度估计宇宙学模型的参数，以便将来我们不仅能够检验宇宙学模型，而且能够在宇宙学尺度上检验广义相对论本身。
2015-06-05 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
String Gas Cosmology: Progress and Problems
弦气体宇宙学是基于弦论的基本原理和关键的新自由度而建立的一种研究极早期宇宙演化的模型，它不同于点粒子场论。在弦气体宇宙学中，宇宙开始于一个准静态的哈格多恩阶段，在此期间，空间充满了高度激发的弦状态的气体。这种弦气体的热涨落导致几乎尺度不变的曲率波动谱。因此，弦气体宇宙学是宇宙暴胀的替代理论，可以用来解释宇宙结构的起源。这篇简短的评论集中在模型的构建模块，对晚期宇宙学的预测，以及模型面临的主要问题。
2011-05-21 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Scalar and Tensor Perturbations in DHOST Bounce Cosmology
我们在DHOST宇宙学的框架下研究了反弹实现，重点研究了它与观测量的关系。我们进行了详细的分析，标量和张量扰动在Ekpyrotic收缩阶段，反弹阶段，和快速滚动膨胀阶段，计算功率谱，谱指数，和张量标量比。此外，我们研究的初始条件，包括扰动产生的Ekpyrotic真空波动，物质真空波动，和热波动。标量功率谱的标度不变性可以通过在喷发相之前引入物质收缩相或调用热气体作为源来获得。由热涨落产生宇宙学扰动的DHOST反弹方案被证明是最有效的方案，相应的预言与观测界完全一致。特别是张量标量比是许多数量级的允许范围内，因为它被抑制的哈勃参数在反弹阶段的开始。
2021-11-17 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Snowmass White Paper: Effective Field Theories in Cosmology
均匀和各向同性膨胀背景周围的小涨落是宇宙学的主要研究对象。它们的起源和演化对膨胀期间和宇宙晚期发生的物理过程很敏感。因此，它们是回答宇宙学中许多主要开放问题的关键。在许多感兴趣的例子中，给出了相关尺度的大分离，这些波动的最自然的描述是根据有效场论来制定的。这是理论宇宙学许多重要现代发展的主要途径，它为大量的宇宙学模型提供了一个统一的框架，并在基本宇宙学参数和观测值之间建立了明确的联系。在这篇综述中，我们总结了这些结果的背景下，有效场论的通货膨胀，大尺度结构，和暗能量。
2022-03-15 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Defrosting in an Emergent Galileon Cosmology
我们研究的过渡从一个新兴的伽利略凝聚相的早期宇宙后来扩大辐射阶段。这种“预热”跃迁是相干伽利略凝聚激发物质涨落的结果，类似于暴胀宇宙学中的预热是通过物质与相干暴胀凝聚的耦合激发物质涨落而发生的。我们表明，“最小”耦合的物质（建模为一个无质量的标量场）的Galileon场介绍Creminelli，Nicolis和Trincherini，以产生一个标度不变的频谱的物质波动是足以导致有效的量子化，只要考虑到宇宙的非零膨胀率的影响。如果我们忽略膨胀的影响，则需要物质与伽利略凝聚体的额外耦合。我们研究的效率，在这两种情况下的反倾销机制。
2011-05-27 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Two Field Matter Bounce Cosmology
我们重新审视了在[arXiv：1206.2382]中首次开发的非奇异物质反弹场景，该场景从物质主导的收缩期开始，并过渡到收缩的Ekpyrotic阶段。我们认为这两个领域的物质，其中第一个发挥的作用，经常的问题，和第二个负责的非奇异反弹。由于主导物质场是有质量的，所以诱导的曲率涨落最初不是标度不变的，而第二个标量场的涨落（最初是熵涨落）是标度不变的。我们研究了初始熵扰动到曲率波动的物质为主的阶段的收缩，并表明，后者成为近尺度不变的大尺度上，但蓝色倾斜的小尺度。我们研究了曲率和熵涨落通过反弹的演化，并表明两者都有一个尺度不变的光谱，这是蓝倾斜的小尺度。然而，我们发现，熵波动的幅度是远远小于曲率扰动，由于引力放大的曲率扰动在反弹阶段。
2014-03-02 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Zero-point quantum fluctuations in cosmology
我们重新研究了经典的Friedmann-Robertson-Walker背景下零点量子涨落的重整化问题。我们讨论了一些问题时出现的动量空间截断正则化的理论，并明确显示如何引入非协变的反条款允许获得协变的结果重整化真空能量动量张量。本文澄清了文献中关于真空涨落状态方程的一些混乱之处。进一步指出，如果理论包含质量m小于哈勃参数H（t）的标量场φ，则有效作用量的一般结构会变得更丰富。这样的超轻粒子不可能完全整合出来而得到有效的作用。除了体积项和爱因斯坦-希尔伯特项，它们被重新吸收到宇宙学常数和牛顿常数的重整化中，有效作用量一般也有一个与F（phi）R成比例的项，对于某个函数F（phi）。因此，超轻标量场的真空涨落自然会导致暗能量密度具有以下形式的模型：rho_{DE}（t）=rho_X（t）+rho_Z（t），其中rho_X是在后期加速哈勃膨胀的分量，rho_Z（t）是与H^2（t）成比例的额外贡献。我们进行了详细的比较，这些模型与CMB，SNIa和BAO数据。
2012-05-30 astro-ph.CO gr-qc hep-th
