[论文解读] A Quantum Cosmology: No Dark Matter, Dark Energy nor Accelerating Universe

Reginald T. Cahill|ArXiv.org|Sep 18, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 30被引用 11

一句话总结

本文提出了一种基于信息论前几何的量子宇宙学模型，其中空间和引力源自具有两个耦合常数（牛顿常数G和精细结构常数α）的动力学三维空间。该模型无需暗物质或暗能量即可解释螺旋星系旋转曲线、黑洞质量、钻孔g异常以及超新星/伽马暴红移数据，并推导出与观测一致的无参数化哈勃膨胀——同时表明标准ΛCDM模型的参数（ΩΛ=0.73，ΩDM=0.27）是广义相对论-弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（GR-FLRW）动力学存在缺陷的产物。

ABSTRACT

We show that modelling the universe as a pre-geometric system with emergent quantum modes, and then constructing the classical limit, we obtain a new account of space and gravity that goes beyond Newtonian gravity even in the non-relativistic limit. This account does not require dark matter to explain the spiral galaxy rotation curves, and explains as well the observed systematics of black hole masses in spherical star systems, the bore hole $g$ anomalies, gravitational lensing and so on. As well the dynamics has a Hubble expanding universe solution that gives an excellent parameter-free account of the supernovae and gamma-ray-burst red-shift data, without dark energy or dark matter. The Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) metric is derived from this dynamics, but is shown not satisfy the General Relativity based Friedmann equations. It is noted that General Relativity dynamics only permits an expanding flat 3-space solution if the energy density in the pressure-less dust approximation is non-zero. As a consequence dark energy and dark matter are required in this cosmological model, and as well the prediction of a future exponential accelerating Hubble expansion. The FLRW $Λ$CDM model data-based parameter values, $Ω_Λ=0.73$, $Ω_{DM}=0.27$, are derived within the quantum cosmology model, but are shown to be merely artifacts of using the Friedmann equations in fitting the red-shift data.

研究动机与目标

• 开发一种前几何的量子宇宙学，以解释宇宙现象而不引入暗物质或暗能量。
• 通过动力学三维空间模型解决视界问题，并统一引力与量子电动力学。
• 表明观测到的ΛCDM模型参数（ΩΛ=0.73，ΩDM=0.27）是广义相对论-弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克宇宙学中使用错误弗里德曼方程所导致的产物。
• 从量子同伦场论（QHFT）推导出引力作为涌现现象，其中等效原理和牛顿引力在经典极限下自然出现。
• 证明即使能量密度为零，哈勃膨胀依然会发生，这与广义相对论-弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克模型要求非零能量密度以驱动膨胀的预测相矛盾。

提出的方法

• 将宇宙建模为基于信息论原则的前几何系统，其中空间、时间和量子物质均源自随机过程。
• 应用量子同伦场论（QHFT）描述三维空间的量子泡沫结构，将量子物质视为拓扑缺陷。
• 构建一个最小化的经典场论以描述动力学三维空间，引入两个耦合常数：G和精细结构常数α。
• 将薛定谔方程和狄拉克方程推广以包含动力学三维空间，推导出涌现的引力和等效原理。
• 从三维空间动力学推导弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规，但表明其不满足广义相对论中的标准弗里德曼方程。
• 将模型的哈勃函数拟合至超新星和伽马射电暴红移数据，实现无需暗能量或暗物质的无参数化匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 前几何的量子宇宙学能否在不引入暗物质的情况下解释星系旋转曲线和黑洞质量？
• RQ2 具有两个耦合常数（G和α）的动力学三维空间模型能否在不引入暗能量或暗物质的情况下重现观测到的宇宙学数据？
• RQ3 为何在将GR-FLRW模型拟合至该模型的数据时，会涌现出ΛCDM模型的参数（ΩΛ=0.73，ΩDM=0.27），尽管不存在暗组分？
• RQ4 该动力学三维空间模型如何解释在无非零能量密度条件下的哈勃膨胀，这与GR-FLRW预测相悖？
• RQ5 在诱导的时空度规中，里奇标量曲率的起源是什么？它是否意味着即使三维空间为平直，时空也非平直？

主要发现

• 该模型对超新星和伽马射电暴红移数据实现了无参数化拟合，无需暗能量或暗物质即可解释哈勃膨胀。
• 观测到的ΛCDM模型中ΩΛ=0.73和ΩDM=0.27被证明是将GR-FLRW模型拟合至由根本不同动力学产生的数据时所产生的产物。
• 该动力学三维空间模型即使在能量密度为零时仍允许哈勃膨胀，这与GR-FLRW要求非零能量密度以驱动膨胀的预测相矛盾。
• 精细结构常数α可独立地从钻孔g异常数据和黑洞质量数据中确定，暗示了量子电动力学与三维空间动力学之间的统一。
• 诱导的时空度规具有非零的里奇标量曲率（R ≈ -96+24α / (4+α)²t²），表明即使三维空间为平直，时空也非平直，说明时空结构并非本体论上的基本实体。
• 引力源于动力学三维空间中量子物质的波性，在经典极限下自然出现等效原理和牛顿引力，从而实现了引力的首次原理推导。