[論文レビュー] Expanding Space: The Root of Conceptual Problems of the Cosmological Physics

Yu. V. Baryshev|ArXiv.org|Oct 1, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、標準的宇宙論における「拡張する空間」の概念が、エネルギー保存則の違反、光速を超える銀河の再結合速度、および不均一領域におけるハッブルの法則の直感的でない適用といった深刻な概念的パラドックスの根本的原因であると特定する。著者は、重力の幾何学的記述が重力の整合的なエネルギー運動量テンソルを持たず、結果として物質と重力の合計エネルギーの保存が成立しない一般相対性理論の性質に起因するとしている。

ABSTRACT

The space expansion physics contains several paradoxes which were clearly demonstrated by Edward Harrison (1981, 1995, 2000), who emphasized that the cooling of homogeneous hot gas (including photon gas of CBR) in the standard cosmological model based on the violation of energy conservation by the expanding space. In modern version of SCM the term "space expansion" actually means continuous creation of vacuum, something that leads to conceptual problems. Recent discussion by Francis, Barnes, James, and Lewis (2007) on the physical sense of the increasing distance to a receding galaxy without motion of the galaxy is just a particular consequence of the arising paradoxes. Here we present an analysis of the following conceptual problems of the SCM: the violation of energy conservation for local comoving volumes, the exact Newtonian form of the Friedmann equation, the absence of an upper limit on the receding velocity of galaxies which can be greater than the speed of light, and the presence of the linear Hubble law deeply inside inhomogeneous galaxy distribution. The common cause of these paradoxes is the geometrical description of gravity, where there is no a well defined concept of the energy-momentum tensor for the gravitational field, no energy quanta - gravitons, and no energy-momentum conservation for matter plus gravity because gravity is not a material field.

研究の動機と目的

• 『拡張する空間』という概念に起因する標準的宇宙論モデル（SCM）における概念的不一致を特定すること。
• 一般相対性理論における重力の幾何学的記述が、重力の整合的なエネルギー運動量テンソルの欠如をもたらし、その結果として重力と物質の合計エネルギーの保存則が成立しないことの原因を検討すること。
• 拡張宇宙内における共動局所体積におけるエネルギー保存則の非保存が及ぼす影響を調査すること。
• 光速を超える再結合速度の物理的意味と、不均一領域におけるハッブルの法則の適用可能性を明確にすること。
• エネルギー保存則に反する連続的真空生成を伴う物理的プロセスとしての空間拡張の解釈を疑問視すること。

提案手法

• 共動体積におけるエネルギー保存則の文脈でフリードマン方程式を分析すること。
• フリードマン方程式のニュートン的類似形とそのエネルギーバランスへの影響を検討すること。
• 拡張する空間の文脈における光速を超える再結合速度の運動学的起源を調査すること。
• 不均一な銀河分布領域におけるハッブルの法則の妥当性を評価すること。
• 一般相対性理論において重力場の整合的なエネルギー運動量テンソルが存在しないことの強調。
• 例えば、エネルギー損失なしに宇宙マイクロ波背景放射が冷却するという、既知の宇宙論的パラドックスとの類似性を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間の拡張に起因するにもかかわらず、なぜ標準的宇宙論モデルが局所的共動体積においてエネルギー保存則に反するように見えるのか？
• RQ2 なぜ銀河は光速を超えて後退できるのか？これは相対論的原理に反しないのか？そしてこれは空間拡張の性質について何を示唆するのか？
• RQ3 なぜハッブルの法則は顕著な不均一性が存在する領域でも成立するのか？これは空間拡張の物理的実在性について何を示唆するのか？
• RQ4 連続的真空生成を伴うと解釈される『空間拡張』の物理的意味は何か？これはエネルギー保存則に反する。
• RQ5 重力の幾何学的理論から導かれたにもかかわらず、なぜフリードマン方程式がニュートン的形を保っているのか？これは、重力の適切なエネルギー運動量テンソルの欠如に起因するのか？

主な発見

• 標準的宇宙論モデルにおける『拡張する空間』という仮定は、空間自体が拡張する際、エネルギーが保存されないため、局所的共動体積においてエネルギー保存則の明らかな違反を引き起こす。
• 銀河が光速を超えて後退できるのは、空間の計量的拡張に起因する運動学的性質によるものであり、空間内を移動する運動によるものではない。これは相対論的直感を揺るがす。
• ハッブルの法則は不均一領域でも成立する。これは線形な速度-距離関係が局所的力学的効果ではなく、空間のグローバル幾何学の結果であることを示唆する。
• 一般相対性理論において重力の整合的なエネルギー運動量テンソルが存在しないため、物質と重力の合計エネルギーの保存則が一貫して成立せず、エネルギー非保存は理論の根本的特徴である。
• 『拡張する空間』という用語は、連続的な真空エネルギー生成を含意しており、これは物理的に問題であり、エネルギー保存則に反する。
• 例えば、仕事のない状態で宇宙マイクロ波背景放射が冷却するというパラドックスは、重力の幾何的解釈に根ざした深刻な概念的問題を露呈している。