Nový kosmologický model: Inflace řízená radiací s lokálními kauzálními horizonty a redistribucí energie červeného posunu Navrhuji kosmologický model, ve kterém je inflační epocha poháněna tlakem radiace namísto skalárního inflatonového pole. Počínaje lineární expanzí v Planckově epoše přechází vesmír k exponenciální inflaci při t ≈ 10²² t_(P), jak se časoprostor roztahuje za kauzální horizonty, čímž se předefinuje rychlost světla (c) jako lokálně invariantní parametr. Předpokládá se, že energie ztracená červeným posunem fotonů je redistribuována do tlaku radiace, čímž pohání inflaci a zajišťuje zachování energie v expandujícím vesmíru. Lokální Minkowského oblasti zachovávají invarianci c, řeší problém horizontu a rovinnosti a zároveň slučují speciální relativitu s kosmologickým nadsvětelným ústupem. Je navrženo osm observačních testů s očekávanými signaturami v CMB, gravitačních vlnách a velkoprostorové struktuře. Současná data jsou v souladu s ΛCDM, ale tento model nevylučují, což otevírá cestu k ověření budoucími vysoce přesnými experimenty. 1. Úvod Standardní kosmologie ΛCDM popisuje horký Velký třesk při t = 0, následovaný krátkou inflační periodou od t ≈ 10⁻³⁶ s do 10⁻³⁴ s. Tato epocha je poháněna skalárním polem „inflaton“, jehož potenciál vytváří exponenciální expanzi (a(t) ∝ e^(Ht)) [1, 2]. Tím se řeší problém horizontu a rovinnosti a zanechává otisky v kosmickém mikrovlnném pozadí (CMB). Přes své úspěchy však ΛCDM závisí na spekulativních prvcích: neodhalené částici inflatonu, jemně vyladěných potenciálních krajinách a toleranci k zjevnému nezachování energie v důsledku červeného posunu fotonů. Zavádím alternativu řízenou radiací. Můj model začíná lineární expanzí, přirozeně přechází do exponenciální inflace, jakmile fotony převládají a horizonty se odpojují, a pokračuje do současné éry zrychlené expanze. Tři hlavní principy odlišují tento rámec: 1. Není potřeba inflaton. Tlak radiace sám o sobě, posílený energií červeného posunu, pohání inflaci. 2. Obnovení zachování energie. Energie ztracená červeným posunem je termodynamicky recyklována do tlaku radiace, který vykonává práci na expandujícím vesmíru. 3. Lokální invariance c. V každé kauzální oblasti měří pozorovatelé stejnou rychlost světla, v souladu s Einsteinovými postuláty. Globálně však nadsvětelné ústupy vznikají přirozeně z kauzálního odpojení. 2. Teoretický rámec 2.1 Raná lineární expanze (t = 0 až t = 10²⁰ t_(P)) V Planckově epoše (t = 1 t_(P) = 5.39 × 10⁻⁴⁴ s) expanduje vesmír lineárně s měřítkovým faktorem a(t) ∝ t. Jeho vlastní velikost je R(t) = ct a hustota energie je na Planckově škále: ρ ≈ 5 × 10⁹⁶ kg m⁻³. Friedmannova rovnice řídí expanzi: $$ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, $$ kde H = 1/t a zakřivení je zanedbatelné. V této fázi fotony chybí, takže tlak radiace zatím nepřispívá. 2.2 Nástup tlaku radiace (t = 10²⁰ t_(P)) Při t ∼ 10²⁰ t_(P) (∼10⁻³⁶ s) vytváří tvorba částic fotony v kvark-gluonovém plazmatu při T ≈ 10²⁸ K. Vzniká tlak radiace: $$ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, $$ kde a = 7.566 × 10⁻¹⁶ J m⁻³ K⁻⁴. To poskytuje P ∼ 10⁹² Pa. Přestože je obrovský, gravitace stále dominuje a expanze zůstává zpomalující. 2.3 Kauzální odpojení a lokální invariantní c (t = 10²² t_(P)) Při t ≈ 10²² t_(P) (∼10⁻³⁴ s) přesahuje poloměr vesmíru jeho Schwarzschildův horizont: $$ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. $$ Když částicový horizont d_(p) ≈ ct přesáhne r_(s), oblasti se kauzálně odpojují. Uvnitř každé horizontové oblasti měří pozorovatelé c = 3 × 10⁸ m/s, v souladu s Einsteinovými myšlenkovými experimenty s vlakem a raketou. Globálně však rychlosti ústupu přesahují c, jak je běžné ve standardní kosmologii. Parametrizuji to jako: $$ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, $$ což nenaznačuje doslovnou změnu c, ale spíše kódování jeho lokálnosti. Tedy c zůstává invariantní pro každého pozorovatele v rámci jejich kauzálního horizontu, zatímco globální nadsvětelná expanze odráží odpojení, nikoli porušení relativity. 2.4 Redistribuce energie červeného posunu V ΛCDM klesá energie fotonů s prodlužováním vlnových délek: $$ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. $$ Zjevná ztráta energie je přisuzována expanzi, bez globálního zákona zachování. Můj model tento paradox řeší: energie ztracená červeným posunem je absorbována na kauzálních horizontech a redistribuována do tlaku radiace, efektivně vykonávající práci na metrice: ΔE_(redshift) → ΔP_(radiation) ⋅ V. 2.4.1 Červený posun jako práce na metrice Einsteinův princip ekvivalence ztotožňuje gravitaci s zrychlením. To poskytuje konkrétní způsob, jak vidět červený posun ne jako zničení energie, ale jako její přeměnu na kinetickou práci. Myšlenkový experiment: Představte si modrý laser vystřelený vzhůru z povrchu planety. Fotonny vystupují z gravitačního potenciálu a dorazí k vzdálenému pozorovateli červeně posunuté. Pro pozorovatele má každý foton zdánlivě méně energie. Přesto laser na zdroji zaznamenal plnou hmotnost-energii emitovaných fotonů: přenesl hybnost odpovídající jejich neposunuté energii a tlaku radiace. Kam se poděla „chybějící“ energie? Byla investována do gravitačního pole, vykonávající práci potřebnou k vyzvednutí fotonů z potenciální jámy. Analogicky, v kosmologii, fotony emitované v raných časech ztrácejí energii kosmologickým červeným posunem. Lokálně emitující oblast zaznamenává jejich plný tlak radiace. Globálně však zjevná ztráta není ztracena; byla přeměněna na práci na metrice – konkrétně na zrychlenou expanzi. ΔE_(photon) = W_(expansion). 2.4.2 Termodynamika horizontu a mechanismus redistribuce Na základě této analogie navrhuji, že kauzální horizonty fungují jako zprostředkovatelé energie červeného posunu: 1. Přenos energie. Energie fotonů klesá jako E ∝ a⁻¹. Namísto mizení je tato energie absorbována na částicových horizontech nebo Schwarzschildových kauzálních hranicích. 2. Mapování gravitačního červeného posunu. Stejně jako gravitační červený posun přenáší energii do pole, kosmologický červený posun přenáší energii do expanze metriky. 3. Termodynamika horizontu. Horizonty mají entropii (S ∝ A/4) a teplotu (Gibbons–Hawking). Energie červeného posunu přispívá k entropii horizontu a prostřednictvím rámce termodynamické gravitace Padmanabhana [3] se znovu objevuje jako tlak vykonávající práci na expanzi. 4. Zvýšení tlaku. $$ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{redshift}}, $$ modifikující rovnici zrychlení: $$ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). $$ S ΔP_(redshift) > 0 expanze zrychluje bez nutnosti invoace inflatonu. 2.4.3 Formální úvahy Formalizace tohoto mechanismu vyžaduje: - Kvantovou teorii pole v zakřiveném časoprostoru pro popis interakcí foton-horizont. - Termodynamiku horizontu (Padmanabhanova emergentní gravitace, Bekenstein-Hawkingova entropie) pro modelování absorpce a reemise energie. - Numerické simulace modifikované Friedmannovy dynamiky s ΔP_(redshift). 2.5 Současná éra Při t ≈ 2.6 × 10⁷¹ t_(P) (13.8 Gyr) je teplota CMB T = 2.7 K a tlak radiace klesl na P ∼ 10⁻³¹ Pa. Přesto stejný mechanismus zprostředkovaný horizontem přetrvává: energie červeného posunu pokračuje v pohánění kosmické akcelerace, přispívající k dynamice pozdního času obvykle přisuzované temné energii (Ω_(Λ) ≈ 0.7). 3. Konceptuální pokroky 1. Není potřeba inflaton. Inflace vzniká přirozeně z tlaku radiace posíleného energií červeného posunu, čímž se odstraňuje potřeba neodhaleného skalárního pole. 2. Obnovení zachování energie. Energie červeného posunu je recyklována do tlaku radiace, sladěním expanze s termodynamickými principy. 3. Lokální invariance c. Einsteinův postulát platí v kauzálních oblastech, zatímco nadsvětelný ústup je vysvětlen oddělením horizontů. 4. Observační testy a očekávané signatury Navrhuji osm observačních testů, každý s odlišnými signaturami, které by mohly odlišit tento model od ΛCDM. 4.1 Anizotropie CMB - Test: Měření výkonového spektra CMB a polarizace B-módu s vysokou přesností. - Očekávaná signatura: Zvýšené maloprostorové fluktuace při multipolech l > 1000, spolu s detekovatelnou polarizací B-módu při l < 100 (r ≈ 0.05–0.1). 4.2 Závislost hustoty energie radiace na červeném posunu - Test: Pozorování škálování hustoty energie radiace ρ_(radiation) s červeným posunem. - Očekávaná signatura: Při z > 1100 by ρ_(radiation) měla odchylovat od standardního škálování  ∝ a⁻⁴. 4.3 Pozadí gravitačních vln (GWB) - Test: Hledání stochastického GWB z inflační epochy. - Očekávaná signatura: Vrchol při  ∼ 10⁻⁹ Hz, s charakteristickou deformací h_(c) ≈ 10⁻¹⁵. 4.4 Hubbleova tenze a pozdní akcelerace - Test: Měření Hubbleovy konstanty H₀ a rovnice stavu temné energie w. - Očekávaná signatura: H₀ ≈ 70 km/s/Mpc, s w mezi  − 0.8 a 0 při z < 1. 4.5 Struktura na škále horizontu - Test: Mapování velkoprostorové struktury na 10–100 Mpc. - Očekávaná signatura: Zvýšené shlukování a anomálně velké prázdnoty. 4.6 Posuny spektrálních čar - Test: Analýza spekter při vysokém červeném posunu. - Očekávaná signatura: Rozšíření nebo energetické posuny o 0.1–1% při z > 5. 4.7 Termodynamické signatury horizontu - Test: Zkoumání entropie a toku na kosmických horizontech. - Očekávaná signatura: Růst entropie horizontu ΔS ∼ 10¹²⁰k_(B). 4.8 Primordiální nukleosyntéza - Test: Měření hojnosti lehkých prvků. - Očekávaná signatura: Zvýšení ⁴He o 1–5% a pokles deuteria. 5. Porovnání s ΛCDM ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Vlastnost ΛCDM Model řízený radiací ------------------------------- ----------------------------- ---------------------------------------------- Pohon inflace Skalární inflatonové pole Tlak radiace + energie červeného posunu Zachování energie Není globálně definováno Termodynamicky vynuceno přes horizonty Rychlost světla Globálně invariantní Lokálně invariantní v horizontech Problémy horizontu/rovinnosti Řešeny inflatonem Řešeny radiací + horizonty Temná energie Kosmologická konstanta (Λ) Pokračování mechanismu červený posun-radiace Předpovědi CMB Standardní spektrum Zvýšení malých škál, možné rozdíly v B-módu Hubbleova tenze Nevyřešena Přirozená střední hodnota H₀ Observační status Podporován, ale nekompletní V souladu s daty, dosud nevyvrácen ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 6. Diskuse Tento rámec přeformuluje inflaci jako termodynamický proces vlastní radiaci, nevyžadující spekulativní inflaton. Poskytuje mechanismus pro zachování energie v expandujícím časoprostoru a slučuje lokální postuláty relativity s kosmologickými horizonty. Zůstávají výzvy. Přesná dynamika redistribuce energie červeného posunu vyžaduje další matematický vývoj a numerické simulace modifikovaných Friedmannových rovnic jsou nezbytné. Observační rozlišení bude záviset na budoucích misích (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA). 7. Závěr Představuji kosmologii, ve které tlak radiace, modulovaný kauzálními horizonty a energií červeného posunu, pohání jak inflaci, tak současnou expanzi. Tento model eliminuje potřebu hypotetického inflatonu, obnovuje termodynamickou konzistenci a slučuje Einsteinovu lokální invarianci c s kosmologickou nadsvětelností. Současná data jsou kompatibilní s ΛCDM, ale navržené observační testy poskytují cestu k ověření nebo vyvrácení. Reference [1] Planck Collaboration, Planck 2018 Results. VI. Cosmological Parameters, Astron. Astrophys. 641, A6 (2020). [2] Guth, A. H., Inflationary Universe, Phys. Rev. D 23, 347 (1981). [3] Padmanabhan, T., Thermodynamical Aspects of Gravity: New Insights, Rep. Prog. Phys. 73, 046901 (2010). [4] BICEP2/Keck Collaboration, Improved Constraints on Primordial Gravitational Waves, Phys. Rev. Lett. 121, 221301 (2018).