[論文レビュー] Einstein's cosmological considerations

Daryl Janzen|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用数 3

ひとこと要約

この論文はアインシュタインの宇宙論的考察と、それらが相対論的宇宙論を形作る基盤的役割を再検討し、標準モデルが微調整されたパラメータ—特にゼロの空間的曲率と正の宇宙定数—に依存している点について、説明のつかない仮定に基づいていると主張する。非同期的でグローバルに定義された宇宙時間と正の宇宙定数を組み合わせることで、特異物質やインフレーションを必要とせず、観測されたスケール因子の時間的変化を自然に再現できると提唱し、標準モデルの理論的基盤に疑問を呈する。

ABSTRACT

The objective of this paper is not simply to present an historical overview of Einstein's cosmological considerations, but to discuss the central role they played in shaping the paradigm of relativistic cosmology. This, we'll show, was a result of both his actions and, perhaps more importantly, his inactions. Accordingly, discussion won't simply be restricted to Einstein's considerations, as we'll analyse relevant contributions to the relativistic expansion paradigm during the approximately twenty years following Slipher's first redshift measurements in 1912. Our aim is to shed some light on why we think some of the things we do, with the idea that a better understanding of the reasoning that fundamentally influenced the common idea of our expanding universe might help to resolve some of the significant problems that modern cosmology now faces; and we eventually use this knowledge to probe the foundations of the standard model. Much of the information we present, including many of the historical details, we expect will be news to modern practitioners.

研究の動機と目的

• アインシュタインの行動と不作為が、特に膨張宇宙の文脈における相対論的宇宙論のパラダイムをどのように形作ったかを調査すること。
• スリフェルの赤方偏移測定以降の、1912年以降の相対論的宇宙論の歴史的発展を分析すること。
• 標準モデルが観測的成功を収めているにもかかわらず、ゼロの空間的曲率や正の宇宙定数といった微調整されたパラメータに理論的根拠がないのはなぜかを問うること。
• 宇宙時間が物質の平均運動によって定義されなければならないという仮定に反論し、より根本的で非局所的な定義を提唱すること。
• 時空の曲率が力学的効果ではなく、運動論的効果であるという代替的宇宙論枠組みを提唱することにより、観測結果とよりよく整合させること。

提案手法

• アインシュタイン、デ・シッター、および同時代の研究者たちの歴史的通信や出版物を分析し、宇宙論的仮定の変遷をたどる。
• アインシュタインの1932年および1945年の業績における宇宙定数と空間的曲率の役割を検討し、非ゼロのλおよび平坦性を拒否した点を強調する。
• 正の宇宙定数によってのみ駆動される宇宙膨張を想定する解を提唱し、スケール因子の時間的変化がΛCDMモデルと同一になるが、インフレーションや特異物質を必要としない。
• 非同期的宇宙時間枠組みを用い、宇宙超曲面が基本的世界線に直交しないことにより、グローバル同時性の標準仮定に挑戦する。
• 世界構造が局所的物質密度から導かれるのではなく、グローバルな運動論的曲率効果から導かれる場合、ホライズン問題が解消されることを主張する。
• 標準モデルが微調整に依存するのに対し、追加の仮定を必要とせず、観測された膨張を自然に再現できるモデルを対比する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜアインシュタインは、宇宙定数とゼロの空間的曲率を物理的に正当化できないと見なしたのか、それらが観測的に成功しているにもかかわらずか？
• RQ2 相対論的宇宙論の歴史的発展は、なぜ現在の標準モデルが微調整されたパラメータに依存するようになったのか？
• RQ3 正の宇宙定数と非同期的宇宙時間を持つ宇宙論モデルは、インフレーションや特異物質を必要とせず、観測されたスケール因子の時間的変化を再現できるか？
• RQ4 宇宙時間が宇宙における物質の平均運動によって定義されるとする仮定は論理的に整合的か、それとも同時性の定義を前提しているという循環的誤謬を含むのか？
• RQ5 観測された宇宙の平坦性は根本的な物理的原理を反映しているのか、それとも現代宇宙論の理論的基盤を損なうような偶然的微調整にすぎないのか？

主な発見

• この論文は、自然な力学的曲率を期待するという観点から、アインシュタインが宇宙定数とゼロの空間的曲率を物理的に正当化できないと見なしたことは、根拠があると主張する。
• アインシュタインの初期の懸念にもかかわらず、現代の観測データは空間的曲率が正確にゼロで、宇宙定数が正であることを示している—これらは理論的に極めて不確実であり、説明を要する。
• 正の宇宙定数と非同期的宇宙時間を持つ提案されたモデルは、ΛCDMモデルと同一のスケール因子の時間的変化を再現するが、インフレーションや特異物質を必要としない。
• この枠組みでは、世界構造が局所的物質密度からではなく、グローバルな運動論的曲率効果から導かれるため、ホライズン問題が解消される。
• 物質の平均運動によって宇宙時間が生じるとする主張は、同時に性を前提しているため循環的であることが示され、定義しようとしている時間そのものに依存する simultaneity の定義を内包している。
• 論文は、標準モデルの成功は観測的であるが理論的根拠に欠けると結論づけ、現代宇宙論の根本的問題を解決するため、相対論的宇宙論の基礎の再評価が不可欠であると結論づける。