[论文解读] Einstein's cosmological considerations

Daryl Janzen|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用 3

一句话总结

本文重新審視愛因斯坦的宇宙學考量及其在塑造相對論宇宙學中的基礎性作用，主張標準模型對微調參數（特別是零空間曲率和正宇宙學常數）的依賴，建立在未加解釋的假設之上。本文提出，具有正宇宙學常數的非同步、全局定義的宇宙時間，可自然地再現觀測到的尺度因子演化，而無需引入異常物質或暴脹，從而挑戰標準模型的理論基礎。

ABSTRACT

The objective of this paper is not simply to present an historical overview of Einstein's cosmological considerations, but to discuss the central role they played in shaping the paradigm of relativistic cosmology. This, we'll show, was a result of both his actions and, perhaps more importantly, his inactions. Accordingly, discussion won't simply be restricted to Einstein's considerations, as we'll analyse relevant contributions to the relativistic expansion paradigm during the approximately twenty years following Slipher's first redshift measurements in 1912. Our aim is to shed some light on why we think some of the things we do, with the idea that a better understanding of the reasoning that fundamentally influenced the common idea of our expanding universe might help to resolve some of the significant problems that modern cosmology now faces; and we eventually use this knowledge to probe the foundations of the standard model. Much of the information we present, including many of the historical details, we expect will be news to modern practitioners.

研究动机与目标

• 探討愛因斯坦的行動與不作為如何塑造了相對論宇宙學的範式，特別是在宇宙膨脹的背景下。
• 分析自1912年以來相對論宇宙學的歷史發展，特別聚焦於斯萊弗紅移測量後的時期。
• 質疑為何標準宇宙學模型雖具經驗成功，卻缺乏對其微調參數（如零空間曲率和正宇宙學常數）的理論解釋。
• 挑戰宇宙時間必須由物質平均運動定義的假設，主張應採用更根本、非局域的定義。
• 提出一種替代的宇宙學框架，其中時空曲率是一種運動學效應，而非動力學效應，從而更好地與經驗觀測一致。

提出的方法

• 分析愛因斯坦、德西特及同時代人的歷史通信與出版物，追蹤宇宙學假設的演變。
• 檢視宇宙學常數與空間曲率在愛因斯坦1932年和1945年著作中的角色，強調他對非零Λ和平坦性的拒絕。
• 提出一種解，其中宇宙膨脹僅由正宇宙學常數驅動，尺度因子的演化與ΛCDM模型完全相同，但無需暴脹或異常物質。
• 使用非同步宇宙時間框架，其中宇宙超曲面不與基本世界線正交，從而挑戰全球同時性的標準假設。
• 主張當世界結構不來自局部物質密度，而是來自全局運動學曲率效應時，視界問題便不復存在。
• 對比標準模型對微調的依賴與一種能自然再現觀測膨脹而無需額外假設的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 為何愛因斯坦拒絕宇宙學常數與零空間曲率作為物理上無根據的假設，儘管它們具有經驗上的成功？
• RQ2 相對論宇宙學的歷史發展如何導致當前標準模型對微調參數的依賴？
• RQ3 是否能構建一個具有正宇宙學常數與非同步宇宙時間的宇宙學模型，以無需暴脹或異常物質的方式再現觀測到的尺度因子演化？
• RQ4 宇宙時間由宇宙中物質平均運動定義的假設是否邏輯自洽？還是它預設了依賴於其自身所要定義的時間的同時性定義？
• RQ5 宇宙的觀測平坦性是否代表一種基本物理原理，還是僅僅是一種偶然的微調，從而動搖現代宇宙學的理論基礎？

主要发现

• 本文主張，愛因斯坦基於對自然動力學曲率的期望，拒絕宇宙學常數與零空間曲率作為物理上無根據的假設，其立場是站得住腳的。
• 儘管愛因斯坦最初持懷疑態度，現代數據現在顯示空間曲率精確為零，且宇宙學常數為正——這些條件在理論上極不可能，因此需要解釋。
• 所提出的模型（具有正宇宙學常數與非同步宇宙時間）可再現與ΛCDM模型相同的尺度因子演化，但無需暴脹或異常物質。
• 在此框架中，視界問題消失，因為世界結構不來自局部物質密度，而是來自曲率的全局運動學效應。
• 主張宇宙時間由物質平均運動引起，被證明是循環的，因為它預設了依賴於其自身所要定義的同時性定義。
• 本文結論認為，標準模型的成功是經驗性的，但缺乏理論依據，因此有必要重新審視相對論宇宙學的基礎，以解決深層次的理論問題。