¿Temperatura negativa del horizonte de-Sitter?

estoy considerando el 4 D espacio-tiempo de-Sitter, en coordenadas estáticas (estoy usando C = 1 y k B = 1 ):

(1) d s 2 = ( 1 Λ 3 r 2 ) d t 2 1 1 Λ 3 r 2 d r 2 r 2 d Ω 2 ,
dónde Λ > 0 es la constante cosmológica. Este espacio-tiempo tiene un horizonte alrededor de cualquier observador estático, en r = Λ 3 / Λ . Todo el volumen del espacio dentro de ese horizonte se calcula fácilmente a partir de la métrica anterior (no es 4 π Λ 3 / 3 ):
(2) V = π 2 Λ 3 ,
y el área del horizonte es A = 4 π Λ 2 . El vacío tiene una densidad de energía y presión:
(3) ρ = Λ 8 π GRAMO , pag = ρ .
Por lo tanto, la energía del vacío dentro de todo el volumen del universo observable de-Sitter es
(4) mi = ρ V = 3 π Λ 8 GRAMO .
Tenga en cuenta que la entalpía es trivialmente 0 (¿qué significa eso?):
H = mi + pag V = 0.

Ahora estoy considerando la primera ley de la termodinámica, comparando varios universos de-Sitter que tienen Λ (o Λ ):

(5) d mi = T d S pag d V = T d S + ρ d V .
Insertando (2) y (4) da lo siguiente:
(6) T d S = 3 π 4 GRAMO d Λ .
Si d Λ > 0 y d S > 0 , esto implica una temperatura negativa! Si uso la entropía S = A / 4 GRAMO (tenga en cuenta que esta fórmula de entropía es muy controvertida para Λ > 0 ), entonces d S = 2 π Λ d Λ / GRAMO y
(7) T = 3 8 Λ .
¡Este resultado es desconcertante!

Ahora me pregunto si el T d S sería mejor reemplazar el término con el trabajo realizado por la tensión superficial en el horizonte, en su lugar: T d S τ d A (No estoy seguro de la señal adecuada delante de τ ). En este caso, obtengo la tensión del horizonte (¡no sé si esto tiene algún sentido!):

(8) τ = 3 32 GRAMO Λ .
Entonces, ¿el razonamiento anterior tiene errores? ¿Qué hay de malo en todo esto? Cualquier referencia que confirme que la temperatura del de-Sitter Horizon podría ser negativa, o que la entropía es realmente indefinida allí (o que S = A / 4 GRAMO está mal en este caso)? ¿O debería el término de entropía T d S interpretarse realmente como el trabajo de tensión τ d A en el horizonte en su lugar?

En (4) y (5), ¿es legítimo usar la energía dentro del horizonte solamente, excluyendo la parte exterior?


EDITAR: La energía (4) es la energía del vacío dentro del horizonte. No tiene en cuenta la energía gravitacional. Ahora creo que es la energía de Komar en el mismo volumen lo que debería ser considerado. La integración da la siguiente energía de Komar dentro del volumen (2):

(9) mi k = Λ GRAMO .
Pero entonces, el problema con la temperatura sigue siendo el mismo: la temperatura es negativa si d Λ > 0 (que es lo mismo que d Λ < 0 ) y asumir d S > 0 (o S = A / 4 GRAMO , que puede ser falso para el espacio-tiempo de-Sitter).

@AVS, la masa de Komar no se puede definir en un espacio-tiempo de-Sitter: no es asintóticamente plana. Y ξ m ξ m = 1 Λ 3 r 2 . Tendrías que integrar para r > Λ dónde ξ m es espacial.
@AVS, todavía tiene un espacio como vector en el lado exterior del horizonte. ¿Cómo se calcula la masa de De Komar en este caso? E incluso si restringes la integración al interior del horizonte, probablemente daría energía (4) arriba (posiblemente con un factor numérico, ya que la presión es igual a menos la densidad de energía).
En efecto, si restrinjo la integración al interior del horizonte, la masa de Komar es igual a (4), hasta un factor de 1 4 que aún no está claro.
@AVS, el factor numérico 1 4 empeora las cosas: ¡todavía tengo temperatura negativa! Además, si se definiera la masa de Komar del espacio-tiempo de-Sitter, ¡a estas alturas ya sería conocida! no lo encuentro por ningun lado
Sobre la masa de Komar, hice una pregunta allí: physics.stackexchange.com/questions/507638/…
@AVS, entonces, ¿puede calcular esa masa de Komar dentro del horizonte para verificar el valor (4) anterior? Si es así, podría ponerlo en la relación termodinámica para obtener T d S y comprobar si la temperatura es positiva.

Respuestas (1)

El futuro horizonte de eventos cósmico es la fuente de la radiación de De Sitter (también conocida como Hawking cósmico), también caracterizada por una temperatura específica, la temperatura de De Sitter. T (según el OP). Es la temperatura mínima posible del universo.

Para un observador en nuestro universo, un Universo de Sitter está en su futuro infinito, es decir, cuando la esfera de Hubble y el horizonte de Sucesos coinciden. Ahora, podemos asignar la longitud mínima de De Sitter como yo Λ = 2 y de Sitter Λ = 3 / 4 en unidades naturales. Si no te gusta esto, no importa, quédate con las ecuaciones simbólicas.

A diferencia de una solución de agujero negro de Schwarzschild, la solución de De Sitter tiene una presión distinta de cero. Entonces, lo siguiente por el OP es correcto:

  • teniendo el término PV en la ecuación (5)
  • la expresión de entropía, es decir S = A / 4 GRAMO = π . yo Λ 2 = 4 π
  • densidad de energía y presión en (3)

Sin embargo, debido a que (4) es una expresión de la energía del horizonte mi H el volumen relevante no es (2) sino el llamado volumen areal (página 6) que es V = 4 π yo Λ 3 / 3 . Entonces, la energía es:

mi H = tu = ρ V = ( yo Λ 3 / 6 ) . Λ = ( 4 / 3 ) . Λ = 1 ( mi q norte .4 )
La energía del horizonte es igual a la energía a granel, según el principio holográfico, por lo que:
T S = ρ V = 1 ( mi q norte .4 b )
T .4 π = ( yo Λ 3 / 6 ) . Λ
T = ( yo Λ 3 / 24 π ) . Λ = 1 / 4 π = 1 / ( 2 π . yo Λ )

Dando la temperatura de De Sitter T como se esperaba (Página 3, es decir, Gibbons y Hawking, 1977). O equivalente:

T = ( 1 / 2 π ) . ( Λ / 3 ) = H o / 2 π
La primera ley de la termodinámica:
T S mi = pag V ( mi q norte .5 )
mi = T S pag V
mi = 2 T S = 2
Esta es la masa-energía máxima del universo observable de De Sitter, y también hemos encontrado la relación universal mi = 2 T S según Padmanabhan (página 42). Este resultado también se corresponde con Boehmer & Harko (página 3) masa-energía de un universo observable (unidades naturales):
metro PAG . mi . C 2 = ( C 4 / GRAMO ) ( 3 / Λ ) = mi = 2 ( mi q norte .5 b )
Finalmente, sí, la entalpía. H es de hecho cero para un universo de De Sitter. Esto significa que el espacio de De Sitter es inestable, como se sabe, y tan espontáneamente (sin necesidad de mago) creó un conejo (nuestro Universo). Energía gratis GRAMO = H T S = T S = 1