[论文解读] A Dust Universe Solution to the Dark Energy Problem

James G. Gilson|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用 9

一句话总结

本文提出一个基于弗里德曼方程的宇宙学模型，其中暗能量通过压强为零的尘埃状宇宙解释，状态方程为 ωΛ = -1，与观测数据完全一致。该模型预测宇宙在红移 z ≈ 0.8 处发生从减速到加速的转变，其驱动力来自暗能量密度引起的负引力常数 (-G)，提供了一种无需引入宇宙学常数的宇宙加速新机制。

ABSTRACT

Astronomical measurements of the Omegas for mass density, cosmological constant lambda and curvature k are shown to be sufficient to produce a unique and detailed cosmological model describing dark energy influences based on the Friedman equations. The equation of state Pressure turns out to be identically zero at all epochs as a result of the theory. The partial omega, for dark energy, has the exact value, minus unity, as a result of the theory and is in exact agreement with the astronomer's measured value. Thus this measurement is redundant as it does not contribute to the construction of the theory for this model. Rather, the value of this omega is predicted from the theory. The model has the characteristic of changing from deceleration to acceleration at exactly half the epoch time at which the input measurements are taken. This is a mysterious feature of the model for which no explanation has so far been found. An attractive feature of the model is that the acceleration change time occurs at a red shift of approximately 0.8 as predicted by the dark energy workers. Using a new definition of dark energy density it is shown that the contribution of this density to the acceleration process is via a negative value for the gravitational constant, -G, exactly on a par with gravitational mass which occurs via the usual positive value for G. This paper also contains an appendix on dark energy dynamics with its own abstract.

研究动机与目标

• 基于弗里德曼方程构建一个一致的宇宙学模型，无需引入宇宙学常数即可解释暗能量。
• 将观测到的宇宙加速与一个在所有时空中压强恒为零的宇宙统一起来。
• 将状态方程 ωΛ = -1 作为理论预测而非观测输入。
• 通过几何与动力学机制解释在 t_c 时刻发生的减速到加速的转变，该时刻对应于红移 z ≈ 0.8。
• 提出对暗能量密度的新解释，使其通过负引力常数 (-G) 贡献于加速。

提出的方法

• 在假设 k=0 和正宇宙学常数的前提下求解弗里德曼方程，使用林德勒常数 C = 8πGρr³/3 以确保各时期的一致性。
• 定义与宇宙学常数相关的特征长度尺度 RΛ = (3/|Λ|)¹/²，以 r、C 和 RΛ 重新表达弗里德曼方程。
• 提出一种暗能量密度的新定义，导致负引力常数 (-G) 作为排斥性加速度的来源。
• 利用林德勒常数 C 随时间保持不变的条件，允许质量与引力常数 G(r) 随时间变化，同时保持方程形式不变。
• 分析包含正负引力质量的双体系统的动力学，以探讨作用-反作用对称性的运动学基础，从而导出牛顿第三定律的广义形式。
• 推导出减速到加速的转变时间恰好位于当前宇宙时期的中点，这是该模型的一个非平凡特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个压强为零的尘埃宇宙模型能否重现观测到的宇宙加速以及测得的 ωΛ = -1？
• RQ2 为何减速到加速的转变恰好发生在当前宇宙时期的一半？这一时间点的物理机制是什么？
• RQ3 暗能量如何通过负引力常数 (-G) 贡献于加速，同时与弗里德曼方程保持一致？
• RQ4 包含负引力质量的系统中，作用-反作用对称性的物理与运动学基础是什么？
• RQ5 观测到的 ωΛ 值是否为冗余输入，还是可完全由模型的理论结构推导得出？

主要发现

• 该模型精确地预测出 ωΛ = -1，无需从观测中输入该值。
• 减速到加速的转变恰好发生在当前宇宙时期的一半，这一结果虽尚未被解释，但与观测一致。
• 预测的转变红移约为 z ≈ 0.8，与暗能量观测者报告的范围（0.5 < z < 1）相符。
• 该模型提出对暗能量密度的新解释，使其通过负引力常数 (-G) 贡献于加速，类似于正 G 在引力吸引中的作用。
• 该解保持林德勒常数 C 恒定，允许质量与引力常数 G(r) 随时间变化，从而保持弗里德曼方程的一致性。
• 该模型表明，即使在负质量存在的情况下，只要正确考虑质心与距离矢量的运动学几何，引力系统中的作用-反作用条件也不会被违反。