[论文解读] Expanding Space: The Root of Conceptual Problems of the Cosmological Physics

Yu. V. Baryshev|ArXiv.org|Oct 1, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文將標準宇宙學中「空間膨脹」的概念視為深層概念悖論的根本原因，包括顯然違反能量守恆、星系退行速度無限增加超過光速，以及在非均勻區域中對哈勃定律的矛盾應用。作者認為，這些問題源於廣義相對論對重力的幾何描述，該描述缺乏重力的明確能量-動量張量，因而物質與重力總能量無法守恆。

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.

研究动机与目标

• 識別標準宇宙學模型（SCM）中因「空間膨脹」概念而產生的邏輯不一致之處。
• 檢視廣義相對論中重力幾何表述如何導致重力場缺乏明確定義的能量-動量張量。
• 研究在膨脹宇宙中，共動局部體積內能量不守恆的影響。
• 釐清超光速退行速度的物理意義，以及哈勃定律在非均勻區域的適用性。
• 質疑將空間膨脹解釋為涉及連續真空產生的物理過程，此解釋違反能量守恆。

提出的方法

• 在共動體積能量守恆的脈絡下分析弗里德曼方程。
• 檢視弗里德曼方程的牛頓類似形式及其對能量平衡的影響。
• 探討在空間膨脹脈絡下，退行速度超過光速的運動學來源。
• 評估哈勃定律在星系分佈非均勻區域的適用性。
• 強調廣義相對論中重力場缺乏一致能量-動量張量的事實。
• 援引宇宙學中已知的悖論作為類比，例如宇宙微波背景輻射冷卻卻無能量損失。

实验结果

研究问题

• RQ1 為何標準宇宙學模型在空間膨脹的情況下，似乎在局部共動體積中違反能量守恆？
• RQ2 星系如何能以超過光速的速度退行而不違反相對論原則？這對空間膨脹的本質有何啟示？
• RQ3 即使在顯著非均勻的區域，哈勃定律仍成立，這對空間膨脹的物理現實性有何暗示？
• RQ4 若「空間膨脹」意味著連續創造真空能量，其物理意義為何？這是否與能量守恆原則相衝突？
• RQ5 儘管廣義相對論的重力理論基於幾何描述且缺乏重力的正確能量-動量張量，為何弗里德曼方程仍保有牛頓形式？

主要发现

• 標準宇宙學模型假設『空間膨脹』，導致在局部共動體積中顯現違反能量守恆的現象，因空間本身膨脹時能量無法守恆。
• 星系可因度規膨脹的運動學性質而以超光速退行，而非因在空間中移動，此現象挑戰了相對論的直覺理解。
• 哈勃定律即使在非均勻區域亦適用，顯示線性速度-距離關係並非局部動力效應，而是空間全局幾何的結果。
• 廣義相對論中重力場缺乏明確定義的能量-動量張量，導致物質與重力總能量無法守恆，使能量不守恆成為理論的根本特徵。
• 『空間膨脹』一詞暗示連續創造真空能量，此解釋在物理上具有問題，且與能量守恆原則不相容。
• 所識別的悖論（如宇宙微波背景輻射冷卻卻未做功）突顯了重力幾何解釋所根植的深層概念問題。