[논문 리뷰] The Principles of Self Creation Cosmology and its Comparison with General Relativity

Garth A. Barber|ArXiv.org|2002. 12. 27.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론의 등가적 대안으로 자아 생성 우주론(Self Creation Cosmology, SCC)을 제안하며, 암흑 에너지, 우주상수 문제, 파이오니어 이상현상, 지구의 자전 증가, 명백한 G의 변화와 같은 핵심 우주론적 및 국소적 이면을 마흐의 원리와 국소 에너지 보존을 통합함으로써 해결한다. 이 이론은 어두운 에너지나 인플레이션 없이도 자연스럽게 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있으며, 총 밀도 파라미터 Ω_total = 1/3과 암흑 물질 밀도 파라미터 Ω_dm = 2/9를 예측한다.

ABSTRACT

There are, at present, several gravitational and cosmological anomalies; the dark energy problem, the lambda problem, accelerating cosmological expansion, the anomalous Pioneer spacecraft acceleration, a spin-up of the Earth and an apparent variation of G observed from analysis of the evolution of planetary longitudes. These conundrums may be resolved in the theory of Self Creation Cosmology, in which the Principle of Mutual Interaction subsumes both Mach's Principle and the Local Conservation of Energy. The theory is conformally equivalent to General Relativity in vacuo with the consequence that predictions of the theory are identical with General Relativity in the standard solar system experiments. Other observable local and cosmological consequences offer an explanation for the anomalies above. The SCC universe expands linearly in its Einstein Frame and it is static in its Jordan Frame; hence, as there are no density, smoothness or horizon problems, there is no requirement for Inflation. The theory determines the total density parameter to be one third, and the cold dark matter density parameter to be two ninths, yet in the Jordan frame the universe is similar to Einstein's original static cylindrical model and spatially flat. Therefore there is no need for a 'Dark Energy' hypothesis. As the field equations determine the false vacuum energy density to be a specific, and feasibly small, value there is no 'Lambda Problem'. Finally certain observations in SCC would detect cosmic acceleration.

연구 동기 및 목표

• 암흑 에너지, 우주상수 문제, 그리고 G의 명백한 변화와 같은 미해결 우주론적 및 국소 중력 문제를 다루기 위해.
• 자아 생성 우주론(Self Creation Cosmology, SCC)을 일반 상대성 이론의 타당한 대안으로 제안하여 마흐의 원리와 국소 에너지 보존을 통합하기 위해.
• 파이오니어 가속도, 지구의 자전 증가, G의 변화와 같은 관측 가능한 허블 스케일 이상현상을, 우주의 시간 진화와 연결된 단일 물리적 메커니즘으로 설명하기 위해.
• 인플레이션을 요구하지 않음에도 불구하고, 수평 문제, 균일성 문제, 평탄성 문제를 피할 수 있음을 보여주기 위해.
• 일반 상대성 이론과 다를 수 있는 검증 가능한 예측을 제공하는, 검증 가능한 프레임워크를 제시하기 위해. 예를 들어, 지구중력 프로브 B에서의 감소된 궤도선 예측을 포함한다.

제안 방법

• 아인슈타인 프레임(EF)과 조르단 프레임(JF) 사이의 등각 변환을 도입하여, SCC가 진공에서는 일반 상대성 이론과 등가이지만, 물질 상호작용에서는 다름을 보이게 한다.
• 상호작용 원리(Mutual Interaction Principle)를 적용하여 마흐의 원리와 국소 에너지 보존을 통합함으로써, 아인슈타인 프레임에서 시간에 따라 변하는 질량과 중력상수를 도출한다.
• 장 방정식을 사용하여 유한하고 특정한 가짜 진공 에너지 밀도를 유도함으로써 람다 문제를 해결한다.
• 우주를 아인슈타인 프레임에서 선형 팽창하는 것으로 모델링하고, 조르단 프레임에서 정적 상태로 모델링함으로써 인플레이션의 필요성을 피한다.
• 이론을 적용하여 파이오니어 이상가속도를, 조르단 프레임의 천체일기 시간(JF ephemeris time)과 아인슈타인 프레임의 원자 시계 시간(EF atomic time) 사이의 시계 오차로 설명한다.
• 시간에 따라 변하는 질량과 반지름 스케일링에 기인한 궤도 매개변수와 회전 운동의 장기적 변화를 예측한다: m(t) ∝ exp(H₀t), r(t) ∝ exp(−H₀t).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자아 생성 우주론(SCC)은 우주상수나 퀘이니세스를 도입하지 않고도 암흑 에너지 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 파이오니어 이상현상, 지구의 자전 증가, 명백한 G의 변화와 같은 관측 가능한 허블 스케일 공진이 단일한 물리적 메커니즘을 지시하는가?
• RQ3 GM이 불변임을 고려할 때, SCC는 국소 보존 법칙을 위반하지 않고도 G의 명백한 변화를 설명할 수 있는가?
• RQ4 SCC는 인플레이션을 요구하지 않음에도 불구하고, 수평 문제, 균일성 문제, 평탄성 문제를 어떻게 설명하는가?
• RQ5 특히 궤도선 예측과 광선 행동에서, SCC와 일반 상대성 이론 사이의 관측 가능한 차이점은 무엇인가?

주요 결과

• SCC는 정확히 Ω_total = 1/3인 총 밀도 파라미터를 예측하며, 은하 군집과 중력 렌즈 관측과 일치한다.
• 냉각 암흑 물질 밀도 파라미터는 Ω_dm = 2/9로 결정되며, 암흑 에너지를 도입하지 않고도 은하의 구조를 자연스럽게 설명한다.
• 이론은 가짜 진공 에너지 밀도를 유한하고 비영이 아닌 값으로 도출함으로써 람다 문제를 해결한다. 이 값은 관측과 자연스럽게 일치한다.
• 조르단 프레임에서 우주는 공간적으로 평탄하고 정적 상태이며, 아인슈타인의 원래 정적 모델을 떠올리게 하며, 정교한 조정 없이도 CMB 이방성 관측을 설명할 수 있다.
• 이상적인 파이오니어 가속도는 천체일기 시간(JF)과 원자 시계 시간(EF) 사이의 시계 오차로 설명되며, 그 크기는 cH와 정확히 일치한다.
• 지구의 관측된 자전 증가(ΔT/day/cy ≈ −6×10⁻⁴ sec/day/cy)는 시간에 따라 변하는 질량 스케일링에 기인한 관성 모멘트의 장기적 감소로 SCC에서 예측되며, H₀ ≈ 67 km/s/Mpc와 일치한다.