[论文解读] Dynamical 3-Space: Black Holes in an Expanding Universe

David P. Rothall, Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用 3

一句话总结

该论文提出，在动力学3维空间理论中，黑洞与哈勃膨胀自然共存，产生长程向内流解，诱导宇宙丝状结构和类泡状网络结构。该理论通过空间的内在动力学解释了类暗物质效应和大尺度结构形成，无需引入重子物质或暗能量，且预测了稳定、随时间演化的黑洞与丝状结构网络，形成宇宙中观测到的宇宙空洞和丝状结构。

ABSTRACT

Black holes are usually studied without including effects of the expanding universe. However in some recent studies black holes have been embedded in an expanding universe, in order to determine the interplay, if any, of these two dynamical processes. Dynamical 3-space theory contains time independent solutions for black holes, which are spatial in-flows, and separately the time dependent Hubble expansion. This theory has explained numerous puzzles in observational astrophysics and contains 3 constants; G, alpha - which from experimental data turns out to be the fine structure constant, and delta - which is a small but nonzero distance, possibly a Planck-type length. The Hubble expansion in the dynamical 3-space theory cannot be `switched off', forcing the study, first, of isolated black holes coexisting with the expanding universe. It is shown that a time dependent black hole and expanding universe solution exists. The nature and implications of these solutions are discussed as they evolve over time. A dynamical network of black holes and induced linking cosmic filaments forming bubble structures is discussed, as a consequence of dynamical 3-space undergoing a dynamical breakdown of homogeneity and isotropy, even in the absence of baryonic matter.

研究动机与目标

• 研究孤立黑洞在动力学3维空间理论中嵌入于膨胀宇宙时的行为。
• 确定黑洞的长程向内流解在持续的哈勃膨胀下是否仍然有效。
• 探索空间均匀性与各向同性的动力学破缺如何导致宇宙丝状网络与泡状结构的形成。
• 通过空间动力学的自组织行为解释大尺度天体物理结构（如星系丝状结构与空洞），而无需依赖重子物质。

提出的方法

• 该论文使用动力学3维空间方程（1），即针对速度场 v(r,t) 的非线性、非几何场方程，将空间建模为动态的分形量子泡沫。
• 通过该方程推导出嵌入哈勃膨胀中的黑洞的时间依赖解，采用哈勃常数 H₀ = 74 km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• 该理论包含两个基本常数：α ≈ 1/137（精细结构常数）和 δ（极小的普朗克尺度长度），分别控制空间的自相互作用与曲率效应。
• 将引力加速度建模为量子波折射效应，表达为 g = ∂v/∂t + (v·∇)v + …，其中 v 为相对于物质的局部空间速度。
• 该理论通过速度场应变张量的散度预测有效暗物质密度 ρDM，从而在无需暗物质的情况下解释平坦旋转曲线。
• 数值与示意图解（图6–8）展示了多个黑洞的向内流如何演化为连接的丝状结构与稳定的类泡状网络。

实验结果

研究问题

• RQ1 在动力学3维空间理论中，孤立黑洞解在嵌入于膨胀宇宙时是否仍保持一致？
• RQ2 当多个黑洞的长程向内流区域在膨胀空间中重叠时，它们如何相互作用？
• RQ3 在无物质条件下，3维空间的均匀性与各向同性动力学破缺会产生何种结构？
• RQ4 观测到的宇宙网状丝状结构与空洞是否可由空间的内在动力学而非暗物质或宇宙学常数解释？
• RQ5 在该理论中，哈勃膨胀是否与黑洞解在动力学上不可分割？这对结构形成有何影响？

主要发现

• 在动力学3维空间理论中，存在黑洞与哈勃膨胀共存的时间依赖解，且无自由参数可关闭膨胀。
• 黑洞的影响范围由向内流方向反转的半径 rc 定义，对于银河系中心的 SgrA* 黑洞，rc ≈ 1.6 Mpc，与星系尺度动力学一致。
• 向内流速度的长程 1/r 依赖关系解释了星系旋转曲线中的“暗物质”效应，而无需引入不可见质量。
• 当多个黑洞处于相互影响范围内时，其向内流场演化为连接的丝状结构，形成网络结构。
• 该系统自组织为稳定的类泡状结构，其中哈勃膨胀与向内空间流达到平衡，与观测到的宇宙空洞和丝状网络相匹配。
• 宇宙丝状结构与空洞的形成源于原初黑洞引发的均匀3维空间的动力不稳定性，即使在无重子物质条件下亦可发生，表明仅靠空间动力学即可引发大尺度结构的种子。