[논문 리뷰] Einstein's cosmological considerations

Daryl Janzen|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 13.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 86인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 아인슈타인의 우주론적 고려사항과 그가 상대성 이론 기반의 우주론을 형성하는 데 미친 기초적인 영향을 재고한다. 표준 모델이 과도하게 조정된 매개변수—특히 영이 공간 곡률과 양의 우주상수—에 의존하고 있음을 지적하며, 이는 설명되지 않은 가정에 기반해 있다고 주장한다. 비동기적이고 전역적으로 정의된 우주의 시간이 양의 우주상수와 함께 존재할 경우, 특수한 물질이나 인플레이션을 요구하지 않고도 관측된 척도 인자 진화를 자연스럽게 재현할 수 있으며, 이는 표준 모델의 이론적 기초에 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 아인슈타인이 상대성 이론 기반의 우주론의 범주를 형성하는 데 기여한 행동과 무관함이 어떻게 패러다임을 형성했는지 조사하는 것, 특히 팽창하는 우주의 맥락에서.
• 1912년 이후 상대성 이론 기반의 우주론의 역사적 발전을 분석하여, 슬리퍼의 적색이동 측정 이후의 시기를 집중적으로 다루는 것.
• 표준 모델이 관측적으로 성공적이지만, 영이 공간 곡률과 양의 우주상수와 같은 과도하게 조정된 매개변수에 대해 이론적 정당성이 부족한 이유를 질문하는 것.
• 우주의 시간이 물질의 평균 운동에 의해 정의되어야 한다는 가정을 도전하며, 더 근본적이고 국소적이지 않은 정의를 제안하는 것.
• 시공간 곡률이 역학적 효과가 아니라 운동학적 효과임을 가정하는 대안적 우주론적 프레임워크를 제안하여, 관측 결과와 더 잘 부합하는 것.

제안 방법

• 아인슈타인, 드 시터 및 동시대인들의 역사적 서신과 논문을 분석하여 우주론적 가정의 변화를 추적하는 것.
• 아인슈타인의 1932년 및 1945년 논문에서 우주상수와 공간 곡률의 역할을 분석하며, 비제로인 람다와 평탄성에 대한 그의 거부를 강조하는 것.
• 우주의 팽창이 양의 우주상수에 의해만 이끌리는 해법을 제안하며, 척도 인자가 ΛCDM 모델과 동일하게 진화하지만, 인플레이션이나 특수한 물질이 필요로 하지 않는다는 것.
• 비동기적 우주의 시간 프레임워크를 사용하여, 우주의 초평면이 기본 세계선에 수직이 아니라고 가정하며, 전역 동시성의 표준 가정에 도전하는 것.
• 세계의 구조가 국소적 물질 밀도에서 유도되지 않고, 전역적인 운동학적 곡률 효과에서 유도될 경우, 수평 문제(Horizon problem)가 사라진다는 주장을 펼이는 것.
• 표준 모델이 과도하게 조정된 매개변수에 의존하는 데 반해, 추가적인 가정 없이도 관측된 팽창을 자연스럽게 재현하는 모델을 대비하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아인슈타인이 우주상수와 영이 공간 곡률을 물리적으로 정당화되지 않는 것으로 거부했지만, 그들의 관측적 성공에도 불구하고 이는 이론적으로 매우 불가능한 조건이므로 설명이 필요하다. 왜 그는 이러한 조건을 물리적으로 정당화되지 않는 것으로 간주했는가?
• RQ2 상대성 이론 기반의 우주론이 역사적으로 어떻게 발전하여 현재의 표준 모델이 과도하게 조정된 매개변수에 의존하게 되었는가?
• RQ3 양의 우주상수와 비동기적 우주의 시간을 가진 우주론적 모델이 인플레이션이나 특수한 물질 없이도 관측된 척도 인자 진화를 재현할 수 있는가?
• RQ4 우주의 시간이 우주 내 물질의 평균 운동에 의해 정의되어야 한다는 가정은 논리적으로 타당한가, 아니면 동시성의 문제를 회피하는 데서 비롯되는가?
• RQ5 관측된 우주의 평탄성은 근본적인 물리 원칙을 반영하는가, 아니면 현대 우주론의 이론적 기초를 훼손하는 우연적 과도 조정일 뿐인가?

주요 결과

• 논문은 아인슈타인이 우주상수와 영이 공간 곡률을 물리적으로 정당화되지 않는 것으로 거부한 것이, 자연스러운 역학적 곡률을 기대하는 데서 잘-founded였음을 주장한다.
• 아인슈타인의 初기 회의론에도 불구하고, 현대 데이터는 공간 곡률이 정확히 0이고 우주상수가 양의 값을 가짐을 시사하며, 이는 이론적으로 매우 불가능한 조건이므로 설명이 필요하다.
• 양의 우주상수와 비동기적 우주의 시간을 가진 제안된 모델은 ΛCDM 모델과 동일한 척도 인자 진화를 재현하지만, 인플레이션이나 특수한 물질이 필요로 하지 않는다.
• 이 프레임워크에서 세계의 구조가 국소적 물질 밀도에서 유도되지 않고, 전역적인 운동학적 곡률 효과에서 유도될 경우, 수평 문제가 사라진다.
• 우주의 시간이 물질의 평균 운동에 의해 유도된다는 주장은 순환 논리임을 입증하며, 그가 정의하고자 하는 동시성의 정의가 이미 그 시간에 의존하고 있음을 보여준다.
• 논문은 표준 모델의 성공이 관측적 성공에 불과하며 이론적 정당성이 부족하다고 결론 내리며, 현대 우주론의 깊은 개념적 문제를 해결하기 위해 상대성 이론 기반의 우주론의 기초를 재고할 필요가 있음을 주장한다.