[论文解读] Unravelling the Dark Matter - Dark Energy Paradigm

Reginald T. Cahill|ArXiv.org|Jan 26, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 28被引用 12

一句话总结

本文提出了一种引力的动力学三维空间理论，该理论无需引入暗物质或暗能量即可解释宇宙膨胀、星系旋转曲线和超新星数据。该理论从扩展至宇宙学的牛顿引力出发，推导出一个无参数的模型，表明标准ΛCDM模型的参数（ΩΛ=0.73，Ωm=0.27）仅在将FLRW-GR模型拟合到此新动力学时作为数学上的副产品出现，而非源于物理上的必然性。

ABSTRACT

The standard LambdaCDM model of cosmology is usually understood to arise from demanding that the Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) metric satisfy the General Relativity dynamics for spacetime metrics. The FLRW data-based dominant parameter values, Omega_Lambda=0.73 and Omega_m=0.27 for the dark energy and dark matter+matter, respectively, are then determined by fitting the supernova red-shift data. However in the pressure-less flat-space case the LambdaCDM model is most easily derived from Newtonian gravity, and which was based on the special case of planetary motion in the solar system. Not surprisingly when extended to galactic rotations and cosmology Newtonian dynamics is found to be wanting, and the fix-up involves introducing dark matter and dark energy, as shown herein. However a different theory of gravity leads to a different account of galactic rotations and cosmology, and does not require dark matter nor dark energy to fit the supernova data. It is shown that fitting the LambdaCDM model to this new model, and so independently of the actual supernova data, requires the LambdaCDM model parameters to be those given above. Hence we conclude that dark energy and dark matter are no more than mathematical artifacts to fix-up limitations of Newtonian gravity. Various other data are also briefly reviewed to illustrate other successful tests of this new theory of gravity.

研究动机与目标

• 通过重新审视ΛCDM模型的推导过程，挑战暗物质和暗能量作为物理实体的基础假设。
• 证明ΛCDM模型的参数（ΩΛ=0.73，Ωm=0.27）并非由超新星数据唯一确定，而是将有缺陷的模型拟合到正确基础动力学时产生的副产品。
• 建立一个基于动力学三维空间的新宇宙学模型，该模型无需能量密度或暗组分即可解释哈勃膨胀及超新星/伽马暴数据。
• 表明标准FLRW-GR模型对未来的指数加速预测是错误的，原因在于其哈勃函数形式不正确。
• 认为ΛCDM模型的主导地位源于将牛顿引力扩展到其有效范围之外，而非源于经验上的必要性。

提出的方法

• 直接从应用于均匀、无压强、哈勃膨胀宇宙的牛顿引力出发，推导出ΛCDM模型，其中满足临界能量条件（E=0）。
• 提出一种基于动力学三维空间的新宇宙学模型，包含两个参数：牛顿常数G和一个无量纲参数α，其中α被识别为精细结构常数。
• 利用测试星系在球对称质量分布中的能量方程，推导出哈勃参数H(t) = √(8πGρ(t)/3)，将其与有效物质密度ρ(t)联系起来。
• 将新的动力学三维空间模型应用于超新星和伽马射电暴（GRB）数据的拟合，实现了无需暗能量或暗物质的无参数拟合。
• 在红移范围z ∈ {0,14}内，对FLRW-GR ΛCDM模型进行最小二乘最优拟合，以新动力学三维空间模型的预测为依据，得出ΩΛ=0.73和Ωm=0.27。
• 分析所诱导时空度量的里奇标量，表明即使三维空间是平直的，时空也并非平直，这是由于动力学三维空间的存在，但强调时空度量本身并无本体论意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 当将有缺陷的模型拟合到正确基础理论时，ΛCDM模型的参数（ΩΛ=0.73，Ωm=0.27）是否能被重现，而非通过数据拟合？
• RQ2 一种不依赖能量密度来实现膨胀的动力学三维空间引力理论，能否作为ΛCDM模型的可行替代？
• RQ3 标准FLRW-GR模型为何预测未来指数加速？这一预测是否因哈勃函数形式错误而为虚假？
• RQ4 如果‘暗物质’和‘暗能量’效应并非物理组分，而是牛顿和广义相对论框架中缺失三维空间动力学的副产品，那么它们的起源是什么？
• RQ5 在三维空间模型中引入α-动力学项，对BAO、GCC和WGL等已确立的宇宙学探针有何影响？

主要发现

• 当将FLRW-GR模型最优拟合到新动力学三维空间模型的预测时，ΛCDM模型的参数（ΩΛ=0.73，Ωm=0.27）被精确重现，且与实际的超新星或GRB数据无关。
• 新动力学三维空间模型对超新星和GRB数据实现了无参数拟合，无需引入暗能量或暗物质即可解释宇宙膨胀。
• 标准FLRW-GR模型对未来的指数加速预测是错误的后果，源于其哈勃函数形式不正确，而非物理现实。
• 动力学三维空间理论将星系旋转曲线和宇宙学膨胀解释为量子物质波性质与三维空间动力学的涌现现象，从而消除了对暗物质的需求。
• 所诱导时空度量的里奇标量非零（R ≠ 0），表明即使三维空间是平直的，时空也非平直，证实了时空几何仅为数学构造，不具有本体论意义。
• 该理论将参数α识别为精细结构常数，将其与从钻孔实验到星系系统的多尺度实验和观测数据相联系。