[論文レビュー] "The Waters I am Entering No One yet Has Crossed": Alexander Friedman and the Origins of Modern Cosmology

Ari Belenkiy|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、1922年にアレクサンドル・フレドマンが一般相対性理論から膨張宇宙を予測する方程式を初めて導出し、ハッブルの観測よりもはるかに前であったことを示すことによって、現代宇宙論におけるフレドマンの基礎的役割を再評価する。広く一般的に誤認されている歴史的誤解を是正し、フレドマンがビッグバンおよび加速膨張宇宙の状況を予見していたことを示し、彼の業績が革命的であったにもかかわらず、当初は無視されたことの裏付けを明らかにする。

ABSTRACT

Ninety years ago, in 1922, Alexander Friedman (1888-1925) demonstrated for the first time that the General Relativity equations admit non-static solutions and thus the Universe may expand, contract, collapse, and even be born. The fundamental equations he derived still provide the basis for the current cosmological theories of the Big Bang and the Accelerating Universe. Later, in 1924, he was the first to realize that General Relativity allows the Universe to be infinite. Friedman's ideas initially met strong resistance from Einstein, yet from 1931 he became their staunchest supporter. This essay connects Friedman's cosmological ideas with the 1998-2004 results of the astronomical observations that led to the 2011 Nobel Prize in Physics. It also describes Friedman's little known topological ideas of how to check General Relativity in practice and compares his contributions to those of Georges Lemaitre. Recently discovered corpus of Friedman's writings in the Ehrenfest Archives at Leiden University sheds some new light on the circumstances surrounding his 1922 work and his relations with Paul Ehrenfest.

研究の動機と目的

• 公式ノーベル賞ナラティブおよび科学文献におけるフレドマンの貢献に関する広く一般的な歴史的誤解を是正すること。
• 1922年にフレドマンが一般相対性理論から膨張宇宙の方程式を初めて導出し、ルメートルやハッブルよりも先んじていたことを確立すること。
• フレドマンが1924年に一般相対性理論が負の曲率を持つ無限で静的でない宇宙を許容することを初めて示したことを強調すること。
• エーレンフェスト・アーカイブから新たに発見された資料を用いて、フレドマンの知的文脈および当時の主要な物理学者たちとの通信を明確にすること。
• フレドマンがFLRW計量およびビッグバンおよび加速宇宙モデルの概念的枠組みの真の創始者であると主張すること。

提案手法

• フレドマンの1922年および1924年の原論文を分析し、特に空間的に一様かつ等方的条件下でのアインシュタイン場方程式からの「フレドマン方程式」の導出を検証する。
• ルメートルおよびアインシュタインの業績と比較し、アーカイブ通信および公表された手紙を用いて知的系譜と受容の履歴をたどる。
• ライデン大学のエーレンフェスト・アーカイブから新たに発見された文書を活用し、フレドマンの科学的環境を再構築し、彼の業績が直面した挑戦を明らかにする。
• フレドマンの1922年の単調な膨張宇宙モデルと、アインシュタインの当初の懐疑的態度および後の受容を対比する。
• 科学的功績の歴史的経路、特にビッグバンやハッブル定数の名称がフレドマンの先行的で正しい予測にもかかわらず、他の人物に帰属されたことの誤認を分析する。
• フレドマンの未発表の文章および手紙の主要な抜粋を翻訳・解釈し、特に1922年のエーレンフェスト宛ての手紙で、革命後における科学文献へのアクセス困難さを説明している点を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜアレクサンドル・フレドマンの1922年の一般相対性理論からの非静的宇宙論的解の発見が、リューメートルやハッブルの発見に比べて体系的に軽視されてきたのか？
• RQ2 フレドマンの原論文および通信から、彼が膨張宇宙モデルおよびFLRW計量を形式化した優位性を示す証拠は何か？
• RQ3 1920年代初頭のソ連の政治的・科学的孤立状態は、フレドマンが彼の宇宙論的業績を広く発信し、認められる能力にどのような影響を与えたのか？
• RQ4 フレドマンの1924年の無限で負の曲率を持つ宇宙の研究は、現代相対論的宇宙論の基礎的枠組みをどのように完成させたのか？
• RQ5 なぜアインシュタインは当初フレドマンの発見を拒否したのか？彼の後年のフレドマンの業績への認識は、科学的コンSENSUSの変化をどのように反映しているのか？

主な発見

• フレドマンの1922年論文は、一般相対性理論から膨張宇宙の方程式を初めて正しく導出し、現在「フレドマン方程式」として知られる全セットを含んでいた。
• フレドマンは、観測的証拠が存在する以前に「単調な世界（monotone world）」—すなわち膨張する宇宙—の概念を導入し、宇宙が膨張・収縮・崩壊する可能性があると正確に予測した。
• 1924年、フレドマンは一般相対性理論が定数の負の曲率を持つ無限で静的でない宇宙を許容することを初めて示し、FLRW計量の枠組みを完成させた。
• この論文は、ノーベル賞エッセイがフレドマンがアインシュタインの静的宇宙の不安定性を発見したと誤認しているのを是正する。実際には、これは1930年のエーディングトンの結果である。
• フレドマンの業績は当初アインシュタインから反発を受けていたが、彼の死後の1930年代にやっとその正当性が認められた。
• 37歳で早逝したにもかかわらず、フレドマンは1922年から1925年の間に25の論文を発表し、彼の全発表数の半分を、宇宙論的ブレークスルー以降に費やした。これは、極めて困難な状況下でも途切れのない科学的生産性を示している。