Can we ditch dark energy by better understanding general relativity?
A renewed suggestion that dark energy may not be real — dispensing with 70% of the stuff in the universe — has reignited a longstanding debate.
Dark energy and dark matter are theoretical inventions that explain observations we cannot otherwise understand.
On the scale of galaxies, gravity appears to be stronger than we can account for using only particles that are able to emit light. So we add dark matter particles as 25% of the mass-energy of the Universe. Such particles have never been directly detected.
On the larger scales on which the Universe is expanding, gravity appears weaker than expected in a universe containing only particles – whether ordinary or dark matter. So we add “dark energy”: a weak anti-gravity force that acts independently of matter.
Brief history of “dark energy”
The idea of dark energy is as old as general relativity itself. Albert Einstein included it when he first applied relativity to cosmology exactly 100 years ago.
Einstein mistakenly wanted to exactly balance the self attraction of matter by anti-gravity on the largest scales. He could not imagine that the Universe had a beginning and did not want it to change in time.
Almost nothing was known about the Universe in 1917. The very idea that galaxies were objects at vast distances was debated.
Einstein faced a dilemma. The physical essence of his theory, as summarised decades later in the introduction of a famous textbook is:
Matter tells space how to curve, and space tells matter how to move.
That means space naturally wants to expand or contract, bending together with the matter. It never stands still.
This was realised by Alexander Friedmann who in 1922 kept the same ingredients as Einstein. But he did not try to balance the amount of matter and dark energy. That suggested a model in which universes that could expand or contract.
Further, the expansion would always slow down if only matter was present. But it could speed up if anti-gravitating dark energy was included.
Since the late 1990s many independent observations have seemed to demand such accelerating expansion, in a Universe with 70% dark energy. But this conclusion is based on the old model of expansion that has not changed since the 1920s.
Standard cosmological model
Einstein’s equations are fiendishly difficult. And not simply because there are more of them than in Isaac Newton’s theory of gravity.
Unfortunately, Einstein left some basic questions unanswered. These include – on what scales does matter tell space how to curve? What is the largest object that moves as an individual particle in response? And what is the correct picture on other scales?
These issues are conveniently avoided by the 100-year old approximation — introduced by Einstein and Friedmann — that, on average, the Universe expands uniformly. Just as if all cosmic structures could be put through a blender to make a featureless soup.
This homogenising approximation was justified early in cosmic history. We know from the cosmic microwave background — the relic radiation of the Big Bang — that variations in matter density were tiny when the Universe was less than a million years old.
But the universe is not homogeneous today. Gravitational instability led to the growth of stars, galaxies, clusters of galaxies, and eventually a vast “cosmic web”, dominated in volume by voids surrounded by sheets of galaxies and threaded by wispy filaments.
In standard cosmology, we assume a background expanding as if there were no cosmic structures. We then do computer simulations using only Newton’s 330-year old theory. This produces a structure resembling the observed cosmic web in a reasonably compelling fashion. But it requires including dark energy and dark matter as ingredients.
Even after inventing 95% of the energy density of the universe to make things work, the model itself still faces problems that range from tensions to anomalies.
Further, standard cosmology also fixes the curvature of space to be uniform everywhere, and decoupled from matter. But that’s at odds with Einstein’s basic idea that matter tells space how to curve.
We are not using all of general relativity! The standard model is better summarised as: Friedmann tells space how to curve, and Newton tells matter how to move.
Enter “backreaction”
Since the early 2000s, some cosmologists have been exploring the idea that while Einstein’s equations link matter and curvature on small scales, their large-scale average might give rise to backreaction – average expansion that’s not exactly homogeneous.
Matter and curvature distributions start out near uniform when the universe is young. But as the cosmic web emerges and becomes more complex, the variations of small-scale curvature grow large and average expansion can differ from that of standard cosmology.
Recent numerical results of a team in Budapest and Hawaii that claim to dispense with dark energy used standard Newtonian simulations. But they evolved their code forward in time by a non-standard method to model the backreaction effect.
Intriguingly, the resulting expansion law fit to Planck satellite data tracks very close to that of a ten-year-old general relativity-based backreaction model, known as the timescape cosmology. It posits that we have to calibrate clocks and rulers differently when considering variations of curvature between galaxies and voids. For one thing, this means that the Universe no longer has a single age.
In the next decade, experiments such as the Euclid satellite and the CODEX experiment, will have the power to test whether cosmic expansion follows the homogeneous law of Friedmann, or an alternative backreaction model.
To be prepared, it’s important that we don’t put all our eggs in one cosmological basket, as Avi Loeb, Chair of Astronomy at Harvard, has recently warned. In Loeb’s words:
To avoid stagnation and nurture a vibrant scientific culture, a research frontier should always maintain at least two ways of interpreting data so that new experiments will aim to select the correct one. A healthy dialogue between different points of view should be fostered through conferences that discuss conceptual issues and not just experimental results and phenomenology, as often is the case currently.
What can general relativity teach us?
While most researchers accept that the backreaction effects exist, the real debate is about whether this can lead to more than a 1% or 2% difference from the mass-energy budget of standard cosmology.
Any backreaction solution that eliminates dark energy must explain why the law of average expansion appears so uniform despite the inhomogeneity of the cosmic web, something standard cosmology assumes without explanation.
Since Einstein’s equations can in principle make space expand in extremely complicated ways, some simplifying principle is required for their large-scale average. This is the approach of the timescape cosmology.
Any simplifying principle for cosmological averages is likely to have its origins in the very early Universe, given it was much simpler than the Universe today. For the past 38 years, inflationary universe models have been invoked to explain the simplicity of the early Universe.
While successful in some aspects, many models of inflation are now ruled out by Planck satellite data. Those that survive give tantalising hints of deeper physical principles.
Many physicists still view the Universe as a fixed continuum that comes into existence independently of the matter fields that live in it. But, in the spirit of relativity – that space and time only have meaning when they are relational – we may need to rethink basic ideas.
Since time itself is only measured by particles with a non-zero rest mass, maybe spacetime as we know it only emerges as the first massive particles condense.
Whatever the final theory, it will likely embody the key innovation of general relativity, namely the dynamical coupling of matter and geometry, at the quantum level.
Our recently published essay: What is General Relativity? further explores these ideas.
http://theconversation.com/can-we-ditch-dark-energy-by-better-understanding-general-relativity-76777
とても興味深く読みました：
再生核研究所声明314（2016.08.08） 世界観を大きく変えた、ニュートンとダーウィンについて
今朝２０１６年８月６日，散歩中 目が眩むような大きな構想が閃いたのであるが、流石に直接表現とはいかず、先ずは世界史上の大きな事件を回想して、準備したい。紀元前の大きな事件についても触れたいが当分 保留したい。
そもそも、ニュートン、ダーウィンの時代とは 中世の名残を多く残し、宗教の存在は世界観そのものの基礎に有ったと言える。それで、アリストテレスの世界観や聖書に反して 天動説に対して地動説を唱えるには それこそ命を掛けなければ主張できないような時代背景が 存在していた。
そのような時に世の運動、地上も、天空も、万有を支配する法則が存在するとの考えは それこそ、世界観の大きな変更であり、人類に与えた影響は計り知れない。進化論 人類も動物や生物の進化によるものであるとの考えは、 人間そのものの考え方、捉え方の基本的な変更であり、運動法則とともに科学的な思考、捉え方が世界観を根本的に変えてきたと考えられる。勿論、自然科学などの基礎として果たしている役割の大きさを考えると、驚嘆すべきことである。
人生とは何か、人間とは何か、― 世の中には秩序と法則があり、人間は作られた存在で
その上に 存在している。如何に行くべきか、在るべきかの基本は その法則と作られた存在の元、原理を探し、それに従わざるを得ないとなるだろう。しかしながら、狭く捉えて 唯物史観などの思想も生んだが、それらは、心の問題、生命の神秘的な面を過小評価しておかしな世相も一時は蔓延ったが、自然消滅に向かっているように見える。
自然科学も生物学も目も眩むほどに発展してきている。しかしながら、人類未だ成長していないように感じられるのは、止むことのない抗争、紛争、戦争、医学などの驚異的な発展にも関わらず、人間存在についての掘り下げた発展と進化はどれほどかと考えさせられ、昔の人の方が余程人間らしい人間だったと思われることは 多いのではないだろうか。
上記二人の巨人の役割を、自然科学の基礎に大きな影響を与えた人と捉えれば、我々は一段と深く、巨人の拓いた世界を深めるべきではないだろうか。社会科学や人文社会、人生観や世界観にさらに深い影響を与えると、与えられると考える。
ニュートンの作用、反作用の運動法則などは、人間社会でも、人間の精神、心の世界でも成り立つ原理であり、公正の原則の基礎（再生核研究所声明 1 (2007/1/27)： 美しい社会はどうしたら、できるか、美しい社会とは）にもなる。 自国の安全を願って軍備を強化すれば相手国がより、軍備を強化するのは道理、法則のようなものである。慣性の法則、急には何事でも変えられない、移行処置や時間的な猶予が必要なのも法則のようなものである。力の法則 変化には情熱、エネルギー，力が必要であり、変化は人間の本質的な要求である。それらはみな、社会や心の世界でも成り立つ原理であり、掘り下げて学ぶべきことが多い。ダーウィンの進化論については、人間はどのように作られ、どのような進化を目指しているのかと追求すべきであり、人間とは何者かと絶えず問うて行くべきである。根本を見失い、個別の結果の追求に明け暮れているのが、現在における科学の現状と言えるのではないだろうか。単に盲目的に夢中で進んでいる蟻の大群のような生態である。広い視点で見れば、経済の成長、成長と叫んでいるが、地球規模で生態系を環境の面から見れば、癌細胞の増殖のような様ではないだろうか。人間の心の喪失、哲学的精神の欠落している時代であると言える。
以 上
再生核研究所声明315（2016.08.08） 世界観を大きく変えた、ユークリッドと幾何学
今朝２０１６年８月６日，散歩中 目が眩むような大きな構想が閃いたのであるが、流石に直接表現とはいかず、先ずは世界史上の大きな事件を回想して、準備したい。紀元前の大きな事件についても触れたいが当分 保留したい。
ニュートン、ダーウィンの大きな影響を纏めたので（声明３１４）今回はユークリッド幾何学の影響について触れたい。
ユークリッド幾何学の建設について、ユークリッド自身（アレクサンドリアのエウクレイデス（古代ギリシャ語: Εὐκλείδης, Eukleídēs、ラテン語: Euclīdēs、英語: Euclid（ユークリッド）、紀元前3世紀? - ）は、古代ギリシアの数学者、天文学者とされる。数学史上最も重要な著作の1つ『原論』（ユークリッド原論）の著者であり、「幾何学の父」と称される。プトレマイオス1世治世下（紀元前323年-283年）のアレクサンドリアで活動した。）が絶対的な幾何学の建設に努力した様は、『新しい幾何学の発見―ガウス ボヤイ ロバチェフスキー』リワノワ 著松野武 訳1961 東京図書 に見事に描かれており、ここでの考えはその著書に負うところが大きい。
ユークリッドは絶対的な幾何学を建設するためには、絶対的に正しい基礎、公準、公理に基づき、厳格な論理によって如何なる隙や曖昧さを残さず、打ち立てられなければならないとして、来る日も来る日も、アレクサンドリアの海岸を散歩しながら ユークリッド幾何学を建設した（『原論』は19世紀末から20世紀初頭まで数学（特に幾何学）の教科書として使われ続けた[1][2][3]。線の定義について、「線は幅のない長さである」、「線の端は点である」など述べられている。基本的にその中で今日ユークリッド幾何学と呼ばれている体系が少数の公理系から構築されている。エウクレイデスは他に光学、透視図法、円錐曲線論、球面天文学、誤謬推理論、図形分割論、天秤などについても著述を残したとされている。）。
ユークリッド幾何学、原論は２０００年以上も越えて多くの人に学ばれ、あらゆる論理的な学術書の記述の模範、範として、現在でもその精神は少しも変わっていない、人類の超古典である。― 少し、厳密に述べると、ユークリッド幾何学の基礎、いわゆる第５公準、いわゆる平行線の公理は徹底的に検討され、２０００年を経て公理系の考えについての考えは改められ― 公理系とは絶対的な真理という概念ではなく、矛盾のない仮定系である ― 、非ユークリッド幾何学が出現した。論理的な厳密性も徹底的に検討がなされ、ヒルベルトによってユークリッド幾何学は再構成されることになった。非ユークリッド幾何学の出現過程についても上記の著書に詳しい。
しかしながら、ユークリッド幾何学の実態は少しも変わらず、世に絶対的なものがあるとすれば、それは数学くらいではないだろうかと人類は考えているのではないだろうか。
数学の不可思議さに想いを致したい（しかしながら、数学について、そもそも数学とは何だろうかと問い、ユニバースと数学の関係に思いを致すのは大事ではないだろうか。この本質論については幸運にも相当に力を入れて書いたものがある：
19/03/2012
ここでは、数学とは何かについて考えながら、数学と人間に絡む問題などについて、幅.広く面白く触れたい。
）。
― 数学は公理系によって定まり、そこから、論理的に導かれる関係の全体が一つの数学の様 にみえる。いま予想されている関係は、そもそも人間には無関係に確定しているようにみえる。その数学の全体はすべて人間には無関係に存在して、確定しているようにみえる。すなわち、われわれが捉えた数学は、人間の要求や好みで発見された部分で、その全貌は分か らない。抽象的な関係の世界、それはものにも、時間にも、エネルギーにも無関係で、存在 している。それではどうして、存在して、数学は美しいと感動させるのであろうか。現代物理学は宇宙全体の存在した時を述べているが、それでは数学はどうして存在しているのであろうか。宇宙と数学は何か関係が有るのだろうか。不思議で 不思議で仕方がない。数学は絶対で、不変の様にみえる。時間にも無関係であるようにみえる。数学と人間の関係は何だ ろうか。―
数学によって、神の存在を予感する者は 世に多いのではないだろうか。
以 上
再生核研究所声明353（2017.2.2） ゼロ除算 記念日
2014.2.2 に 一般の方から100/0 の意味を問われていた頃、偶然に執筆中の論文原稿にそれがゼロとなっているのを発見した。直ぐに結果に驚いて友人にメールしたり、同僚に話した。それ以来、ちょうど３年、相当詳しい記録と経過が記録されている。重要なものは再生核研究所声明として英文と和文で公表されている。最初のものは
再生核研究所声明 148（2014.2.12）: 100/0=0, 0/0=0 － 割り算の考えを自然に拡張すると ― 神の意志
で、最新のは
Announcement 352 (2017.2.2): On the third birthday of the division by zero z/0=0
である。
アリストテレス、ブラーマグプタ、ニュートン、オイラー、アインシュタインなどが深く関与する ゼロ除算の神秘的な永い歴史上の発見であるから、その日をゼロ除算記念日として定めて、世界史を進化させる決意の日としたい。ゼロ除算は、ユークリッド幾何学の変更といわゆるリーマン球面の無限遠点の考え方の変更を求めている。― 実際、ゼロ除算の歴史は人類の闘争の歴史と共に 人類の愚かさの象徴であるとしている。
心すべき要点を纏めて置きたい。
１） ゼロの明確な発見と算術の確立者Brahmagupta (598 - 668 ?) は 既にそこで、0/0=0 と定義していたにも関わらず、言わば創業者の深い考察を理解できず、それは間違いであるとして、１３００年以上も間違いを繰り返してきた。
２） 予断と偏見、慣習、習慣、思い込み、権威に盲従する人間の精神の弱さ、愚かさを自戒したい。我々は何時もそのように囚われていて、虚像を見ていると 真智を愛する心を大事にして行きたい。絶えず、それは真かと 問うていかなければならない。
３） ピタゴラス派では 無理数の発見をしていたが、なんと、無理数の存在は自分たちの世界観に合わないからという理由で、― その発見は都合が悪いので ― 、弟子を処刑にしてしまったという。真智への愛より、面子、権力争い、勢力争い、利害が大事という人間の浅ましさの典型的な例である。
４） この辺は、２０００年以上も前に、既に世の聖人、賢人が諭されてきたのに いまだ人間は生物の本能レベルを越えておらず、愚かな世界史を続けている。人間が人間として生きる意義は 真智への愛にある と言える。
５） いわば創業者の偉大な精神が正確に、上手く伝えられず、ピタゴラス派のような対応をとっているのは、本末転倒で、そのようなことが世に溢れていると警戒していきたい。本来あるべきものが逆になっていて、社会をおかしくしている。
６） ゼロ除算の発見記念日に 繰り返し、人類の愚かさを反省して、明るい世界史を切り拓いて行きたい。
以 上
追記：
The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world:
Division by Zero z/0 = 0 in Euclidean Spaces
Hiroshi Michiwaki, Hiroshi Okumura and Saburou Saitoh
International Journal of Mathematics and Computation Vol. 28(2017); Issue 1, 2017), 1-16.
http://www.scirp.org/journal/alamt http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf
再生核研究所声明371（2017.6.27）ゼロ除算の講演― 国際会議 https://sites.google.com/site/sandrapinelas/icddea-2017 報告
http://ameblo.jp/syoshinoris/theme-10006253398.html
1/0=0、0/0=0、z/0=0
http://ameblo.jp/syoshinoris/entry-12276045402.html
1/0=0、0/0=0、z/0=0
http://ameblo.jp/syoshinoris/entry-12263708422.html
1/0=0、0/0=0、z/0=0
http://ameblo.jp/syoshinoris/entry-12272721615.html
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