[论文解读] The Principles of Self Creation Cosmology and its Comparison with General Relativity

Garth A. Barber|ArXiv.org|Dec 27, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文提出自创宇宙学（SCC）作为广义相对论的共形等价替代理论，通过统一马赫原理与局部能量守恒，解决了关键的宇宙学与局部异常问题——如暗能量、宇宙学常数问题、先驱者异常、地球自转加速以及表观G值变化——并预测宇宙总密度参数Ω_total = 1/3，暗物质密度参数Ω_dm = 2/9，无需引入暗能量或暴胀即可自然解释宇宙加速膨胀。

ABSTRACT

There are, at present, several gravitational and cosmological anomalies; the dark energy problem, the lambda problem, accelerating cosmological expansion, the anomalous Pioneer spacecraft acceleration, a spin-up of the Earth and an apparent variation of G observed from analysis of the evolution of planetary longitudes. These conundrums may be resolved in the theory of Self Creation Cosmology, in which the Principle of Mutual Interaction subsumes both Mach's Principle and the Local Conservation of Energy. The theory is conformally equivalent to General Relativity in vacuo with the consequence that predictions of the theory are identical with General Relativity in the standard solar system experiments. Other observable local and cosmological consequences offer an explanation for the anomalies above. The SCC universe expands linearly in its Einstein Frame and it is static in its Jordan Frame; hence, as there are no density, smoothness or horizon problems, there is no requirement for Inflation. The theory determines the total density parameter to be one third, and the cold dark matter density parameter to be two ninths, yet in the Jordan frame the universe is similar to Einstein's original static cylindrical model and spatially flat. Therefore there is no need for a 'Dark Energy' hypothesis. As the field equations determine the false vacuum energy density to be a specific, and feasibly small, value there is no 'Lambda Problem'. Finally certain observations in SCC would detect cosmic acceleration.

研究动机与目标

• 解决宇宙学与局部引力中未解决的异常问题，包括暗能量、宇宙学常数问题以及G值的表观变化。
• 提出自创宇宙学（SCC）作为广义相对论的可行替代理论，统一马赫原理与局部能量守恒。
• 通过与宇宙时变演化相关的单一物理机制，解释观测到的哈勃尺度异常——先驱者异常、地球自转加速与G值变化。
• 证明SCC无需暴胀即可避免视界、平滑性与平坦性问题。
• 提供可证伪的理论框架，其可观测预测与广义相对论不同，例如重力探测器B中的测地线进动减小。

提出的方法

• 在爱因斯坦框架（EF）与乔丹框架（JF）之间采用共形变换，SCC在真空中与广义相对论等价，但在物质耦合上存在差异。
• 实施相互作用原理，统一马赫原理与局部能量守恒，导致EF中质量与引力常数随时间变化。
• 利用场方程推导出特定的、有限的虚假真空能量密度，从而解决Λ问题。
• 将宇宙建模为EF中线性膨胀、JF中静态，避免对暴胀的需求。
• 将理论应用于解释异常的先驱者加速度，将其解释为历表时（JF）与原子时（EF）之间的钟差。
• 预测轨道参数与旋转动力学的长期变化，源于时间依赖的质量与半径标度：m(t) ∝ exp(H₀t)，r(t) ∝ exp(−H₀t)。

实验结果

研究问题

• RQ1 自创宇宙学能否在不引入宇宙学常数或标量场（quintessence）的情况下解决暗能量问题？
• RQ2 观测到的哈勃尺度巧合——先驱者异常、地球自转加速与表观G值变化——是否指向单一基本物理机制？
• RQ3 SCC能否在GM保持不变的前提下解释G值的表观变化，而不违反局部守恒定律？
• RQ4 SCC如何在不依赖暴胀的情况下解释视界、平滑性与平坦性问题的缺失？
• RQ5 SCC与广义相对论在可观测上存在哪些差异，特别是在测地线进动与光子行为方面？

主要发现

• SCC精确预测总密度参数为Ω_total = 1/3，与星系团聚类及引力透镜观测一致。
• 冷暗物质密度参数确定为Ω_dm = 2/9，无需暗能量即可自然解释星系结构。
• 该理论通过推导出有限且非零的虚假真空能量密度，解决了Λ问题，其值自然极小且与观测一致。
• 在乔丹框架中，宇宙空间平坦且静态，类似于爱因斯坦原始的静态宇宙模型，无需精细调节即可解释CMB各向异性观测。
• 异常的先驱者加速度被解释为历表时（JF）与原子时（EF）之间的钟差，其大小与cH一致。
• 地球观测到的自转加速（ΔT/day/cy ≈ −6×10⁻⁴ sec/day/cy）由SCC预测，源于时间依赖质量标度引起的转动惯量长期减小，与H₀ ≈ 67 km/s/Mpc一致。