[논문 리뷰] Expanding Space: The Root of Conceptual Problems of the Cosmological Physics

Yu. V. Baryshev|ArXiv.org|2008. 10. 01.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준 천체물리학에서 '확장하는 공간'의 개념이 에너지 보존 위반, 빛의 속도를 초월하는 은하의 비정상적인 후퇴 속도, 그리고 비균일한 영역에서 허블의 법칙이 모순적으로 적용되는 깊은 개념적 역설의 근본 원인임을 규명한다. 저자는 이러한 문제들이 중력의 기하학적 기술 방식에 기인하며, 중력의 에너지-운동량 텐서가 일관되게 정의되지 않아 물질과 중력의 총 에너지가 보존되지 않는 일반 상대성 이론의 특성 때문이라고 주장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 천체물리학 모델(SCM)에서 '확장하는 공간'의 개념이 유도하는 개념적 모순을 규명하는 것.
• 일반 상대성 이론에서 중력의 기하학적 기술 방식이 중력의 잘 정의된 에너지-운동량 텐서의 부재를 초래하는 방식을 조사하는 것.
• 확장 우주 내에서 공동운동하는 국소 체적 내에서 에너지 보존이 이루어지지 않는 데 미치는 영향을 조사하는 것.
• 초광속 후퇴 속도의 물리적 의미와 비균일 영역에서 허블의 법칙의 적용 가능성을 명확히 하는 것.
• 에너지 보존을 위반하는 연속적인 진공 생성을 수반하는 공간 확장의 물리적 과정으로서의 해석을 도전하는 것.

제안 방법

• 공동운동 체적 내에서 에너지 보존의 맥락에서 프리드만 방정식을 분석하는 것.
• 프리드만 방정식의 뉴턴형 유사 형태와 에너지 균형에 대한 그 영향을 검토하는 것.
• 확장하는 공간의 맥락에서 빛의 속도를 초월하는 후퇴 속도의 운동학적 기원을 조사하는 것.
• 비균일한 은하 분포 영역에서 허블의 법칙의 타당성을 평가하는 것.
• 일반 상대성 이론에서 중력장에 대한 일관된 에너지-운동량 텐서가 존재하지 않는다는 점을 부각하는 것.
• 에너지 손실 없이 우주 마이크로파 배경 복사가 냉각되는 것과 같은 알려진 우주론적 역설과의 유사성을 제시하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간의 팽창에도 불구하고 국소적 공동운동 체적에서 표준 천체물리학 모델이 에너지 보존 위반을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ2 은하가 빛의 속도를 초월해 후퇴할 수 있는 이유는 무엇이며, 이는 공간 팽창의 성격에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 비균일한 영역에서도 허블 법칙이 유지되는 이유는 무엇이며, 이는 확장하는 공간의 물리적 실재성에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 지속적인 진공 생성을 암시하는 '공간 팽창'의 물리적 의미는 무엇이며, 에너지 보존 원칙과 어떻게 충돌하는가?
• RQ5 중력의 기하학적 이론에서 유도된 것으로 보이지만, 중력에 대한 적절한 에너지-운동량 텐서가 없는 상황에서 프리드만 방정식이 뉴턴형 형태를 유지하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 표준 천체물리학 모델에서 '확장하는 공간'이라는 가정은 공간 자체가 팽창함에 따라 국소적 공동운동 체적에서 에너지 보존이 이루어지지 않기 때문에 명백한 에너지 보존 위반을 초래한다.
• 은하가 빛의 속도를 초월해 후퇴할 수 있는 것은 공간의 계량적 팽창의 운동학적 성격 때문이며, 이는 공간을 떠도는 운동이 아니므로 상대성 원리에 대한 직관적 이해를 도전한다.
• 허블 법칙은 비균일한 영역에서도 적용 가능하며, 이는 선형 속도-거리 관계가 국소적 역학적 효과가 아니라 공간의 전반적 기하학의 결과임을 시사한다.
• 일반 상대성 이론에서 중력에 대한 잘 정의된 에너지-운동량 텐서가 없기 때문에 물질과 중력의 총합 에너지 보존 법칙이 일관되게 정의되지 않으며, 이는 에너지 비보존이 이론의 근본적 특성임을 의미한다.
• '확장하는 공간'이라는 용어는 연속적인 진공 에너지 생성을 암시하며, 이는 물리적으로 문제를 일으키며 에너지 보존 원칙과 충돌한다.
• 냉각된 우주 마이크로파 배경 복사에 대해 일정한 일 없이 에너지 손실이 없는 등 규명된 역설들은 중력의 기하학적 해석에 뿌리를 둔 깊은 개념적 문제를 드러낸다.