[论文解读] A New Cosmological Model for the Visible Universe and its Implications

Branislav Vlahović|arXiv (Cornell University)|May 24, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种新型的宇宙学模型，其中可观测宇宙是一个半径为4.46 Gpc的薄而膨胀的球壳，而非中心球体，这是由于在半径为14.3 Gpc的光子球内发生引力光线偏折所致。该模型通过相对论性引力效应和弯曲时空几何，无需暴胀、暗能量或暗物质，即可解释宇宙微波背景各向同性、哈勃常数（67.26 ± 0.90 km/s/Mpc）、Ia型超新星红移以及熵的差异。

ABSTRACT

Assuming that the universe is homogenous and isotropic and applying Gauss' flux theorem for gravity, it follows that the gravitational field of the visible universe can be calculated as if the entire mass of the visible universe is located in one point. Taking into account that the mass of the visible universe is M=2x10^{53} kg, it appears that the entire visible universe is inside a {\it photon sphere} of radius R_{ps} = 14.3 Gpc. The current model for the visible universe must be corrected to account for the fact that measured horizon distance of 14.0 \pm 0.2 Gpc is not a straight line. Rather it is an arc of a circle with that length, because all photons are inside the photon sphere. Our model interprets the visible universe as a surface of a sphere (or an inside of a sphere shell) with radius 4.46 \pm 0.06 Gpc and an event horizon, located on that sphere (shell), with size of 14.0 \pm 0.2 Gpc. The model predicts CMB redshift and time dilatation of Type Ia supernovae by gravitation. It explains, without inflation theory, the isotropy and uniformity of the CMB. It predicts the correct value for the Hubble constant H_0 = 67.26 \pm 0.90 km/s/Mpc, the cosmic expansion rate H(z) in agreement with observations, and the speed of the event horizon. Through relativistic energy correction, our model also provides an explanation for critical density without use of dark matter. It explains that Type Ia supernovae redshifts are not related to the accelerated expansion of the universe and dark energy. It explains the reason for the established discrepancy between the non-covariant version of the holographic principle and the calculated dimensionless entropy (S/k) for the visible universe, which exceeds the entropy of a black hole. The model is in agreement with the distribution of radio sources in space, Type Ia data, and data from the HUDF optical and near-infrared survey.

研究动机与目标

• 解决标准模型中的不一致问题：尽管广义相对论预测强引力场中光线会发生偏折，但该模型仍将可观测宇宙视为中心球体并假设光线沿直线传播。
• 在不引入宇宙暴胀的前提下，解释宇宙微波背景（CMB）观测到的各向同性和均匀性。
• 基于引力场对称性和高斯通量定理，利用相对论性、弯曲时空模型，解释测得的哈勃常数和宇宙膨胀率H(z)。
• 通过重新定义可观测宇宙的几何结构，调和全息原理与可观测宇宙熵之间的明显矛盾。
• 通过证明观测到的红移和密度参数源于引力红移和相对论性能量修正，从而消除对暗能量和暗物质的需求。

提出的方法

• 假设宇宙在大尺度上具有均匀性和各向同性，应用高斯通量定理处理引力，将可观测宇宙的总质量（2×10⁵³ kg）视为集中于一个中心点。
• 利用公式 R_ps = 3GM/c² 计算光子球半径，得出 R_ps = 14.3 Gpc，表明所有位于该半径内的光子均沿弯曲的圆形轨道运动。
• 将测得的粒子视界距离（14.0 ± 0.2 Gpc）重新解释为半径4.46 Gpc的圆周上的弧长，而非径向直线距离。
• 将可观测宇宙建模为一个半径为4.46 Gpc的薄而膨胀的三维球壳，其中星系和光仅在表面传播。
• 利用相对论性能量修正解释临界密度而无需暗物质，并通过引力势推导出红移和时间延迟效应。
• 将该模型应用于解释Ia型超新星数据、CMB红移（z=1166）和射电源计数，结果与观测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何宇宙微波背景（CMB）在全天范围内如此各向同性，且能否在不引入宇宙暴胀的前提下加以解释？
• RQ2 既然光线受引力影响发生偏折，为何测得的粒子视界距离14.0 Gpc不表示径向直线距离？
• RQ3 能否在不引入暗能量或加速膨胀的前提下，重现观测到的哈勃常数和宇宙膨胀率H(z)？
• RQ4 当全息原理不具协变性时，如何调和可观测宇宙熵（超过黑洞熵）与该原理之间的矛盾？
• RQ5 当正确考虑广义相对论和引力透镜效应时，可观测宇宙的真实几何结构是什么？

主要发现

• 可观测宇宙并非半径14.0 Gpc的球体，而是一个半径为4.46 Gpc的薄球壳，其中测得的视界距离14.0 Gpc是该球壳周长上的弧长。
• 该模型预测哈勃常数为 H₀ = 67.26 ± 0.90 km/s/Mpc，与普朗克和WMAP7测量结果高度一致。
• 宇宙微波背景（CMB）起源于球壳正对面的单一位置，无需暴胀即可解释其各向同性。
• 该模型通过引力红移解释CMB红移z = 1166以及Ia型超新星的时间延迟，而非宇宙膨胀所致。
• 该模型通过在引力场中应用相对论性能量修正，解释了临界密度和缺失质量，而无需引入暗物质。
• 观测到的超新星红移被归因于球壳模型中的运动学和引力效应，而非暗能量或加速膨胀。