KOSMOLOGIA — wybrane zagadnienia
prof. Jerzy Sikorski

 
16. Próby kosmologii kwantowej — równanie Wheelera-DeWitta


W podejściu tym chodziło o sformułowanie czegoś w rodzaju równania Schrödingera dla funkcji falowej Ψ wczesnego wszechświata. Przedstawimy tu zarys najprostszej wersji takiego podejścia.

Zacznijmy od znanego już równania kosmologicznego w postaci:

R"
R
 +  (
R'
R
)2  + 
k
R2
 + 
8πG
c4
 p = 0
(1)

tu prim nadal oznacza pochodną po x0 = ct, zaś p to ciśnienie pochodzące od pola Higgsa Φ, omawianego w rozdziale o fazie inflacyjnej.

Przypomnijmy otrzymane tam zależności na gęstość energii i ciśnienie tego pola:
ε = 
1
2
 (Φ')2 + V(Φ)
p = 
1
2
 (Φ')2 - V(Φ)
(2)
oraz
ε + p = (Φ')2
ε - p = 2V(Φ)
(3)

Okazuje się, że można zbudować taki lagranżjan, który po wstawieniu do równań Lagrange'a da nam równanie
(1), w którym ciśnienie 'p' dane jest przez (2) lub (3).

Lagranżjan ten ma postać

L(R, R', Φ, Φ') = 
3πc4
4G
 [(R')2R - kR] - 2π2R3  [
1
2
 (Φ')2 - V(Φ) ]
(4)
(lagranżjan ma tu wymiar energii).

Obliczamy:
∂L
∂R'
 = 
3πc4
2G
 R'R
∂x0
 
∂L
∂R'
 = 
3πc4
2G
 [R"R + (R')2]
∂L
∂R
 = 
3πc4
4G
 [(R')2 - k] - 6π2R2p
(5)

Łatwo teraz sprawdzić, że po wstawieniu do ∂/∂x0 ∂L/∂R' - ∂L/∂R = 0, otrzymamy
(1).

Mając odpowiedni lagranżjan można zbudować tensor energii - pędu, a w szczególności składową T00, czyli hamiltonian.

H = Φ' 
∂L
∂Φ'
 + R' 
∂L
∂R'
 - L
(6)

Wielkości ∂L/∂Φ' ≡ ΠΦ oraz ∂L/∂R' ≡ ΠR, można traktować jak tzw. pędy kanoniczne.

Wielkość H po uporządkowaniu wyrazów przyjmie postać

H = 
1
R
 [
4G
3πc4
 ΠR2 + 
3πc4
4G
 kR2 ]  - 
1
R
 [
1
2R2
 ΠΦ2 - 2π2R4V(Φ) ]
(7)

Następnie, jako pędy kanoniczne podstawia się odpowiednie dla mechaniki kwantowej wielkości operatorowe
ΠR → - ih 
∂R
ΠΦ → - ih 
∂Φ
(8)
przez co cały hamiltonian H też staje się operatorem. Można więc formalnie użyć go do zapisania równania Schrödingera H z kropkąΨ = ih(∂Ψ/∂t). Postuluje się jednak, że funkcja falowa wszechświata Ψ(Φ, R) nie zależy jawnie od czasu (a jedynie za pośrednictwem R(t) oraz Φ(t)). Oznacza to, że nie istnieje „zewnętrzny względem wszechświata” układ współrzędnych czasoprzestrzennych, w którym istniałaby „linia świata dla wszechświata” — czyli zewnętrzny względem wszechświata czas absolutny.

Ostatecznie równanie nasze H z kropkąΨ = 0, po uwzględnieniu
(7) i (8), będzie

[
-4h2G
3πc4
 
2
∂R2
 + 
h2
2R2
 
2
∂Φ2
 + 
3πc4
4G
 kR2 - 2π2R4V(Φ) ]  Ψ(R, Φ) = 0
(9)

Jest to właśnie równanie Wheelera - DeWitta (najprostsza jego wersja). Różne możliwości dyskusji daje możliwość zastosowania różnych form potencjału pola V(Φ), a także różne typy pól Higgsa w stosowanym wariancie teorii.

Instytut Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki
Uniwersytet Gdański
e-mail: fizjks@iftia.univ.gda.pl
 




Do ściągnięcia:
jks-wheeler.doc (Word) jks-wheeler.pdf (Acrobat Reader) jks-wheeler.ps (PostScript)
»» 17. Osobliwe koincydencje i zasada antropiczna »