https://madrid.hostmaster.org/articles/cosmology_radiation_driven_inflation/fa.html
من یک مدل کیهان‌شناسی پیشنهاد می‌کنم که در آن دوران تورم به جای یک میدان اسکالر اینفلاتون، توسط فشار تابش هدایت می‌شود. با شروع از انبساط خطی در دوران پلانک، جهان در \(t \approx 10^{22} \, t_P\) به تورم نمایی گذار می‌کند، زمانی که فضازمان فراتر از افق‌های علّی کشیده می‌شود و سرعت نور (\(c\)) را به عنوان یک پارامتر ثابت محلی بازتعریف می‌کند. فرض می‌شود که انرژی از دست رفته به دلیل جابه‌جایی سرخ فوتون‌ها به فشار تابش بازتوزیع می‌شود، در نتیجه تورم را تغذیه کرده و حفظ انرژی را در یک جهان در حال انبساط تضمین می‌کند. تکه‌های محلی مینکوفسکی، تغییرناپذیری \(c\) را حفظ می‌کنند و مشکلات افق و تخت بودن را حل می‌کنند، در حالی که نسبیت خاص را با انحسار فراسرعت کیهانی سازگار می‌کنند. هشت آزمون مشاهده‌ای با امضاهای مورد انتظار در پس‌زمینه میکروموج کیهانی (CMB)، امواج گرانشی و ساختارهای بزرگ‌مقیاس مشخص شده‌اند. داده‌های کنونی با \(\Lambda\)CDM همخوانی دارند اما این مدل را رد نمی‌کنند و مسیری برای اعتبارسنجی با آزمایش‌های دقیق آینده باز می‌گذارند.
کیهان‌شناسی استاندارد \(\Lambda\)CDM یک مه‌بانگ داغ را در \(t = 0\) توصیف می‌کند که به دنبال آن یک دوره تورم کوتاه از \(t \approx 10^{-36} \, \text{ثانیه}\) تا \(10^{-34} \, \text{ثانیه}\) رخ می‌دهد. این دوره توسط یک میدان اسکالر “اینفلاتون” هدایت می‌شود که پتانسیل آن انبساط نمایی (\(a(t) \propto e^{Ht}\)) ایجاد می‌کند [۱، ۲]. این مدل مشکلات افق و تخت بودن را حل کرده و اثراتی در پس‌زمینه میکروموج کیهانی (CMB) به جا می‌گذارد. با وجود موفقیتش، \(\Lambda\)CDM به اجزای گمانه‌زنانه وابسته است: یک ذره اینفلاتون کشف‌نشده، مناظر پتانسیل تنظیم‌شده دقیق، و پذیرش عدم حفظ ظاهری انرژی به دلیل جابه‌جایی سرخ فوتون‌ها.
من یک جایگزین رانده‌شده توسط تابش معرفی می‌کنم. مدل من با انبساط خطی آغاز می‌شود، به طور طبیعی به تورم نمایی گذار می‌کند هنگامی که فوتون‌ها غالب شده و افق‌ها جدا می‌شوند، و به دوران شتاب‌دار مدرن ادامه می‌یابد. سه اصل کلیدی این چارچوب را متمایز می‌کنند:
۱. بدون نیاز به اینفلاتون. فشار تابش خود، تقویت‌شده توسط انرژی جابه‌جایی سرخ، تورم را هدایت می‌کند. ۲. بازگرداندن حفظ انرژی. انرژی از دست رفته به دلیل جابه‌جایی سرخ به طور ترمودینامیکی به فشار تابش بازیافت می‌شود و روی جهان در حال انبساط کار انجام می‌دهد. ۳. تغییرناپذیری محلی \(c\). در هر تکه علّی، ناظران همان سرعت نور را اندازه‌گیری می‌کنند، سازگار با فرضیه‌های اینشتین. در سطح جهانی، انحسار فراسرعت به طور طبیعی از جدایی علّی ناشی می‌شود.
در دوران پلانک (\(t = 1 \, t_P = 5.39 \times 10^{-44} \, \text{ثانیه}\))، جهان به صورت خطی با عامل مقیاس \(a(t) \propto t\) منبسط می‌شود. اندازه واقعی آن \(R(t) = ct\) است و چگالی انرژی در مقیاس پلانک است:
\[ \rho \approx 5 \times 10^{96} \, \text{کیلوگرم} \, \text{متر}^{-3}. \]
معادله فریدمن انبساط را کنترل می‌کند:
\[ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, \]
با \(H = 1/t\) و انحنای ناچیز. در این مرحله، فوتون‌ها وجود ندارند، بنابراین فشار تابش هنوز نقشی ندارد.
تا \(t \sim 10^{20} \, t_P \, (\sim 10^{-36} \, \text{ثانیه})\)، تشکیل ذرات، فوتون‌ها را در یک پلاسمای کوارک-گلوئون در \(T \approx 10^{28} \, \text{کلوین}\) تولید می‌کند. فشار تابش ظاهر می‌شود:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, \]
با \(a = 7.566 \times 10^{-16} \, \text{ژول} \, \text{متر}^{-3} \, \text{کلوین}^{-4}\). این منجر به \(P \sim 10^{92} \, \text{پاسکال}\) می‌شود. اگرچه عظیم است، گرانش همچنان غالب است و انبساط کاهنده باقی می‌ماند.
در \(t \approx 10^{22} \, t_P \, (\sim 10^{-34} \, \text{ثانیه})\)، شعاع جهان از افق شبه‌شوارزشیلد خود فراتر می‌رود:
\[ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. \]
هنگامی که افق ذره \(d_p \approx ct\) از \(r_s\) فراتر می‌رود، مناطق به طور علّی جدا می‌شوند.
درون هر تکه افق، ناظران \(c = 3 \times 10^8 \, \text{متر/ثانیه}\) را اندازه‌گیری می‌کنند، سازگار با آزمایش‌های فکری قطار و موشک اینشتین. اما در سطح جهانی، سرعت‌های انحسار از \(c\) فراتر می‌روند، همان‌طور که در کیهان‌شناسی استاندارد است. من این را به صورت زیر پارامتری می‌کنم:
\[ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, \]
که به معنای تغییر واقعی \(c\) نیست، بلکه محلی بودن آن را کدگذاری می‌کند. بنابراین، \(c\) برای هر ناظری در افق علّی خود ثابت می‌ماند، در حالی که انبساط فراسرعت جهانی جدایی را منعکس می‌کند، نه نقض نسبیت.
در \(\Lambda\)CDM، انرژی فوتون‌ها با کشیده شدن طول موج‌ها کاهش می‌یابد:
\[ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. \]
از دست رفتن ظاهری انرژی به انبساط نسبت داده می‌شود، بدون قانون حفظ جهانی.
مدلم این پارادوکس را حل می‌کند: انرژی از دست رفته به دلیل جابه‌جایی سرخ در افق‌های علّی جذب شده و به فشار تابش بازتوزیع می‌شود، که به طور مؤثری روی متریک کار انجام می‌دهد:
\[ \Delta E_{\text{جابه‌جایی سرخ}} \;\rightarrow\; \Delta P_{\text{تابش}} \cdot V. \]
اصل هم‌ارزی اینشتین، گرانش را با شتاب یکسان می‌داند. این روشی ملموس برای دیدن جابه‌جایی سرخ نه به عنوان نابودی انرژی، بلکه به عنوان تبدیل آن به کار جنبشی فراهم می‌کند.
آزمایش فکری: یک لیزر آبی را تصور کنید که از سطح یک سیاره به سمت بالا شلیک می‌شود. فوتون‌ها از پتانسیل گرانشی بالا می‌روند و با جابه‌جایی سرخ به ناظر دوردست می‌رسند. برای ناظر، به نظر می‌رسد هر فوتون انرژی کمتری دارد. با این حال، لیزر در منبع، انرژی-جرم کامل فوتون‌های ساطع‌شده را تجربه کرده است: تکانه‌ای متناسب با انرژی و فشار تابش بدون جابه‌جایی سرخ منتقل کرده است.
انرژی “گمشده” کجا رفته است؟ این انرژی در میدان گرانشی سرمایه‌گذاری شده و کار لازم برای بالا بردن فوتون‌ها از چاه پتانسیل را انجام داده است.
به طور مشابه، در کیهان‌شناسی، فوتون‌های ساطع‌شده در زمان‌های اولیه از طریق جابه‌جایی سرخ کیهانی انرژی از دست می‌دهند. به طور محلی، ناحیه ساطع‌کننده فشار کامل تابش آنها را تجربه می‌کند. اما در سطح جهانی، کسری ظاهری از دست نمی‌رود؛ به کار روی متریک تبدیل شده است - به طور خاص، به انبساط شتاب‌دار.
\[ \Delta E_{\text{فوتون}} \;=\; W_{\text{انبساط}} . \]
با تکیه بر این قیاس، پیشنهاد می‌کنم که افق‌های علّی به عنوان واسطه‌های انرژی جابه‌جایی سرخ عمل می‌کنند:
۱. انتقال انرژی. انرژی فوتون‌ها به صورت \(E \propto a^{-1}\) کاهش می‌یابد. به جای محو شدن، این انرژی در افق‌های ذره یا مرزهای علّی شبه‌شوارزشیلد جذب می‌شود. ۲. نقشه‌برداری جابه‌جایی سرخ گرانشی. همان‌طور که جابه‌جایی سرخ گرانشی انرژی را به میدان منتقل می‌کند، جابه‌جایی سرخ کیهانی انرژی را به انبساط متریک منتقل می‌کند. ۳. ترمودینامیک افق. افق‌ها دارای آنتروپی (\(S \propto A/4\)) و دما (گیبونز-هاوکینگ) هستند. انرژی جابه‌جایی سرخ به آنتروپی افق کمک می‌کند و از طریق چارچوب گرانش ترمودینامیکی پادمانابان [۳]، به صورت فشار دوباره ظاهر می‌شود که روی انبساط کار انجام می‌دهد. ۴. افزایش فشار.
\[ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{جابه‌جایی سرخ}}, \]
که معادله شتاب را اصلاح می‌کند:
\[ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). \]
با \(\Delta P_{\text{جابه‌جایی سرخ}} > 0\)، انبساط بدون نیاز به اینفلاتون شتاب می‌گیرد.
برای رسمی‌سازی این مکانیزم نیاز است:
در \(t \approx 2.6 \times 10^{71} \, t_P\) (13.8 میلیارد سال)، دمای CMB برابر با \(T = 2.7 \, \text{کلوین}\) است و فشار تابش به \(P \sim 10^{-31} \, \text{پاسکال}\) کاهش یافته است. با این حال، همان مکانیزم واسطه‌شده توسط افق ادامه می‌یابد: انرژی جابه‌جایی سرخ همچنان شتاب کیهانی را تغذیه می‌کند و به دینامیک‌های دیرهنگام که معمولاً به انرژی تاریک نسبت داده می‌شود (\(\Omega_\Lambda \approx 0.7\)) کمک می‌کند.
۱. بدون نیاز به اینفلاتون. تورم به طور طبیعی از فشار تابش تقویت‌شده توسط انرژی جابه‌جایی سرخ ناشی می‌شود، که نیاز به یک میدان اسکالر کشف‌نشده را برطرف می‌کند. ۲. بازگرداندن حفظ انرژی. انرژی جابه‌جایی سرخ به فشار تابش بازیافت می‌شود و انبساط را با اصول ترمودینامیکی هم‌راستا می‌کند. ۳. تغییرناپذیری محلی \(c\). فرضیه اینشتین در تکه‌های علّی معتبر است، در حالی که انحسار فراسرعت با جدایی افق توضیح داده می‌شود.
من هشت آزمون مشاهده‌ای پیشنهاد می‌کنم که هر یک دارای امضاهای متمایزی هستند که می‌توانند این مدل را از \(\Lambda\)CDM متمایز کنند.
| ویژگی | \(\Lambda\)CDM | مدل رانده‌شده توسط تابش |
|---|---|---|
| محرک تورم | میدان اسکالر اینفلاتون | فشار تابش + انرژی جابه‌جایی سرخ |
| حفظ انرژی | به طور جهانی تعریف نشده | از طریق افق‌ها به طور ترمودینامیکی اعمال می‌شود |
| سرعت نور | به طور جهانی تغییرناپذیر | به طور محلی تغییرناپذیر در افق‌ها |
| مشکلات افق/تخت بودن | توسط اینفلاتون حل شده | توسط تابش + افق‌ها حل شده |
| انرژی تاریک | ثابت کیهانی (\(\Lambda\)) | ادامه مکانیزم تابش-جابه‌جایی سرخ |
| پیش‌بینی‌های CMB | طیف استاندارد | تقویت‌های کوچک‌مقیاس، تفاوت‌های احتمالی در حالت B |
| تنش هابل | حل‌نشده | \(H_0\) میانی طبیعی |
| وضعیت مشاهده‌ای | پشتیبانی‌شده اما ناقص | سازگار با داده‌ها، هنوز رد نشده |
این چارچوب، تورم را به عنوان یک فرآیند ترمودینامیکی ذاتی در تابش بازتعریف می‌کند، بدون نیاز به یک اینفلاتون گمانه‌زنانه. این چارچوب مکانیزمی برای حفظ انرژی در فضازمان در حال انبساط فراهم می‌کند و فرضیه‌های محلی نسبیت را با افق‌های کیهانی سازگار می‌کند.
چالش‌ها باقی می‌مانند. دینامیک دقیق بازتوزیع انرژی جابه‌جایی سرخ نیاز به توسعه ریاضی بیشتری دارد و شبیه‌سازی‌های عددی معادلات فریدمن اصلاح‌شده ضروری هستند. تمایز مشاهده‌ای به ماموریت‌های آینده (CMB-S4، Euclid، LISA، SKA) وابسته خواهد بود.
من یک کیهان‌شناسی ارائه می‌دهم که در آن فشار تابش، تنظیم‌شده توسط افق‌های علّی و انرژی جابه‌جایی سرخ، هم تورم و هم انبساط کنونی را هدایت می‌کند. این مدل نیاز به یک اینفلاتون فرضی را حذف می‌کند، سازگاری ترمودینامیکی را بازمی‌گرداند و تغییرناپذیری محلی \(c\) اینشتین را با فراسرعت کیهانی سازگار می‌کند. داده‌های کنونی با \(\Lambda\)CDM سازگار هستند، اما آزمون‌های مشاهده‌ای پیشنهادی مسیری برای اعتبارسنجی یا رد این مدل ارائه می‌دهند.
[۱] همکاری پلانک، نتایج پلانک ۲۰۱۸. VI. پارامترهای کیهان‌شناختی، Astron. Astrophys. 641, A6 (2020). [۲] گوت، آ. اچ.، جهان تورمی، Phys. Rev. D 23, 347 (1981). [۳] پادمانابان، تی.، جنبه‌های ترمودینامیکی گرانش: بینش‌های جدید، Rep. Prog. Phys. 73, 046901 (2010). [۴] همکاری BICEP2/Keck، محدودیت‌های بهبودیافته بر امواج گرانشی اولیه، Phys. Rev. Lett. 121, 221301 (2018).