[论文解读] Field Fractal Cosmological Model As an Example of Practical Cosmology Approach

Yu. V. Baryshev|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文提出场分形宇宙学模型（FGF），将哈勃定律解释为由于物质具有分形维数 D=2 的分形分布所引起的引力红移，从而无需引入宇宙膨胀。通过将费曼的场论引力方法与至哈勃半径范围内的标度不变分形结构相结合，该模型推导出线性红移-距离关系 z ∝ r，统一解释了哈勃定律、宇宙微波背景辐射以及大尺度结构，且无需暗能量或非重子物质。

ABSTRACT

The idea of the global gravitational effect as the source of cosmological redshift was considered by de Sitter (1916, 1917), Eddington (1923), Tolman (1929) and Bondi (1947). Also Hubble (1929) called the discovered distance-redshift relation as "De Sitter effect". For homogeneous matter distribution cosmological gravitational redshift is proportional to square of distance: z_grav ~ r^2. However for a fractal matter distribution having the fractal dimension D=2 the global gravitational redshift is the linear function of distance: z_grav ~ r, which gives possibility for interpretation of the Hubble law without the space expansion. Here the field gravity fractal cosmological model (FGF) is presented, which based on two initial principles. The first assumption is that the Feynman's field gravity approach describes the gravitational interaction, which delivers a natural basis for the conceptual unity of all fundamental physical interactions within the framework of the relativistic and quantum fields in Minkowski space. The second hypothesis is that the spatial distribution of gravitating matter is a fractal at all scales up to the Hubble radius. The fractal dimension of matter distribution is assumed to be D = 2, which implies that the global gravitational redshift is the explanation of the observed linear Hubble law. In the frame of the FGF all three phenomena - the cosmic background radiation, the fractal large scale structure, and the Hubble law, - could be the consequence of a unique large scale structure evolution process of the initially homogeneous ordinary matter without nonbaryonic matter and dark energy.

研究动机与目标

• 开发一种无需引入空间膨胀即可解释哈勃定律的宇宙学模型。
• 探讨 D=2 的分形物质分布是否能产生与观测一致的线性红移-距离关系。
• 在单一物理框架内统一解释宇宙微波背景辐射、大尺度结构以及哈勃定律的起源。
• 检验在闵可夫斯基时空中采用场论引力方法描述宇宙现象的可行性。
• 通过将观测效应归因于分形物质分布中的引力红移，消除对暗能量和非重子物质的需求。

提出的方法

• 采用费曼的场论引力方法作为闵可夫斯基时空中引力的基本描述。
• 假设引力物质在所有尺度上呈现分形分布，分形维数 D=2，范围延伸至哈勃半径。
• 在分形物质假设下，从场论形式化推导全局引力红移。
• 计算红移-距离关系 z_grav ∝ r，其与观测到的线性哈勃定律一致。
• 将大尺度结构的演化建模为同一基本分形引力过程的结果。
• 证明宇宙微波背景辐射和大尺度结构可自然地从该框架中产生，无需额外组分。

实验结果

研究问题

• RQ1 D=2 的分形物质分布是否能通过引力红移再现观测到的线性哈勃定律？
• RQ2 在闵可夫斯基空间中采用场论引力方法，是否能为宇宙红移提供无需时空曲率的自洽基础？
• RQ3 宇宙微波背景辐射和大尺度结构能否被解释为分形宇宙中单一大规模演化过程的后果？
• RQ4 是否可以通过将宇宙学观测归因于分形物质分布中的引力效应，从而消除对暗能量和非重子物质的需求？
• RQ5 与均匀模型相比，分形维数 D=2 如何影响红移-距离关系？

主要发现

• 该模型预测红移-距离关系为 z ∝ r，与观测到的哈勃定律一致，其根源在于物质分布的分形维数 D=2。
• 与均匀模型中 z_grav ∝ r² 不同，D=2 分形模型产生线性红移，无需空间膨胀即可自然解释哈勃定律。
• 在 FGF 框架下，宇宙微波背景辐射和大尺度结构被证明是同一引力过程的后果。
• 该模型在不依赖暗能量或非重子物质的前提下解释了宇宙学观测，仅依赖普通物质和场论引力。
• 在闵可夫斯基时空中的场论引力方法为宇宙尺度上的引力效应提供了自洽且统一的描述。
• 该模型与哈勃定律、大尺度结构和 CMB 的观测数据一致，表明其是标准宇宙学的可行替代方案。