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When we pull out the piston a distance x, we make more false vacuum — with volume xA where
A is the area of the piston. But this costs energy ρxA.
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Thus the piston must be pulling back on us with a force ρA. But that means that the pressure
associated with the false vacuum is negative — equal to −ρ. This weird result makes sense,
because if we put p = −ρ into (2), we find that ˙ρ = 0 — which is just what we expect — the
energy density of the false vacuum is constant, independent of the volume of space.
So now that we are convinced that it makes a kind of weird physical sense to have ρ constant,
we can go back to (1), which becomes
˙a
a
=
s
8π
G ρ
3
= η (3)
where η is
a constant! This is really easy to solve.
˙a = η a ⇒ a ∝ e
η t
(4)
The expansion of the space is actually exponential in time!!!! As you know, exponentials can get
big quickly. This process is called “inflation” — during inflation, while the false vacuum lasts,
space, and the universe along with it expands by some enormous factor.
Wait a minute — this is even crazier than the constant ρ. Isn’t gravity supposed to slow down
the expansion of the universe? Let’s see by looking at the equation we derived last time for the
second derivative of a:
¨a
a
= −
4π
G
3
(ρ +
3p) (5)
You see now that if we put in p = −ρ, the right hand side becomes positive (and you can check
that it has the right value, η
2
). This sign change is another effect of the negative pressure. This is
the crazy physics of inflation. Positive pressure contributes to the slowing down of expansion, like
energy density (only more so because of the factor of 3). But the false vacuum has NEGATIVE
pressure, which gives a kind of antigravity effect! It’s weird, but all the equations are consistent.
5