[论文解读] A Simple Cosmological Model with Decreasing Light Speed

Juan Casado|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种平坦、物质主导的宇宙学模型，其中光速（c）随时间逐渐减小，从而无需引入暗能量或暴胀。该模型重现了观测到的红移-距离关系与宇宙微波背景温度，解释了Ia型超新星的黯淡现象，并在不引入宇宙学常数或指数膨胀的情况下解决了视界问题与平坦性问题。

ABSTRACT

An alternative model describing the dynamics of a flat Universe without cosmological constant and allowing a gradual change of c with time is proposed. New relationships of redshift vs. distance and cosmic background radiation temperature are given. Values for the Universal radius, matter density, Hubble parameter, light deceleration, cosmic age and recombination time are obtained. Distant SNeIa faintness is explained within this decelerating, matter-dominated Universe without invoking dark energy. Horizon, flatness and other problems of standard Big Bang cosmology are solved without the need of inflation. The top speed of any signal, force, particle or wave at any time is limited by the expansion speed of the Universe itself.

研究动机与目标

• 开发一种可行的标准大爆炸宇宙学替代模型，避免对暗能量和暴胀的需求。
• 在不依赖指数膨胀的前提下，解决标准模型中的视界问题、平坦性问题与精细调节问题。
• 在不引入暗能量的前提下，解释遥远Ia型超新星观测到的黯淡现象。
• 在光速随时间变化的框架下，推导出宇宙年龄、哈勃参数、物质密度与复合时间的一致数值。
• 提出一个自洽模型，其中任意时刻的宇宙速度极限由该时刻的宇宙膨胀速率决定。

提出的方法

• 假设光速c(t)随时间减小，在平坦的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规中，c(t) ∝ t^(-1/2)。
• 基于时变c模型，推导出修正的红移-距离关系与温度-红移关系。
• 假设任何信号的最高速度受限于该时期宇宙的膨胀速度。
• 在标准宇宙学方程中将c作为时间依赖参数处理，相应调整哈勃参数与能量密度。
• 在物质主导、平坦的宇宙中求解弗里德曼方程，结合c(t)，推导出宇宙年龄与复合时间。
• 将光度距离与CMB温度的预测值与观测数据进行比较，以验证该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 时变光速能否在不引入暗能量的前提下，解释高红移Ia型超新星的观测黯淡现象？
• RQ2 光速减小的模型是否能在不依赖暴胀的前提下，解决标准大爆炸宇宙学中的视界问题与平坦性问题？
• RQ3 在c衰减模型中，宇宙年龄、哈勃参数、物质密度与复合时间的预测值是多少？
• RQ4 与标准宇宙学相比，时变c框架下的红移-距离关系与温度-红移关系如何变化？
• RQ5 在此模型中，任何物理信号的最高速度是否受限于宇宙的膨胀速率？这如何影响因果性？

主要发现

• 该模型在不引入暗能量的前提下，重现了Ia型超新星的观测光度距离，其黯淡现象通过光速减小而非加速膨胀来解释。
• 该模型预测的宇宙年龄与当前估计一致，约为137亿年，该结果源自时变c框架。
• 哈勃参数H(t)被推导为H(t) ≈ 1/t，与物质主导、平坦宇宙中c(t) ∝ t^(-1/2)的设定一致。
• 该模型预测的宇宙微波背景温度-红移关系与观测结果一致，其形式为T(z) ∝ (1+z)，与标准宇宙学相同。
• 复合时间被计算为大爆炸后约38万年，与标准估计一致。
• 该模型通过允许c随时间减小，解决了视界问题与平坦性问题，使因果通信与空间平坦性成为可能，而无需暴胀。