https://madrid.hostmaster.org/articles/cosmology_radiation_driven_inflation/fi.html
Ehdotan kosmologista mallia, jossa inflaation aikakausi on ohjattu säteilyn paineella eikä skalaari-inflatonikentällä. Alkaen lineaarisesta laajenemisesta Planckin aikakaudella, universumi siirtyy eksponentiaaliseen inflaatioon ajassa \(t \approx 10^{22} \, t_P\), kun avaruusaika venyy kausaalihorisonttien ulkopuolelle, määritellen valonnopeuden (\(c\)) uudelleen paikallisesti invarianttina parametrina. Hypoteesina on, että fotonien punasiirtymän menettämä energia jaetaan uudelleen säteilyn paineeseen, mikä ruokkii inflaatiota ja varmistaa energian säilymisen laajenevassa universumissa. Paikalliset Minkowski-alueet säilyttävät \(c\):n invariassin, ratkaisten horisontti- ja tasaisuusongelmat samalla sovittaen yhteen erityisen suhteellisuusteorian ja kosmologisen superluminaalisen taantuman. Esitetään kahdeksan havainnollista testiä, joissa odotetaan signaaleja kosmisessa mikroaaltotaustassa (CMB), gravitaatioaalloissa ja laajamittaisissa rakenteissa. Nykyiset tiedot ovat linjassa \(\Lambda\)CDM-mallin kanssa, mutta eivät sulje pois tätä mallia, jättäen tilaa validoinnille tulevilla korkean tarkkuuden kokeilla.
Vakiintunut \(\Lambda\)CDM-kosmologia kuvaa kuumaa alkuräjähdystä ajassa \(t = 0\), jota seuraa lyhyt inflatorinen jakso ajasta \(t \approx 10^{-36} \, \text{s}\) aikaan \(10^{-34} \, \text{s}\). Tämä aikakausi on ohjattu skalaari-“inflatoni”-kentällä, jonka potentiaali tuottaa eksponentiaalisen laajenemisen (\(a(t) \propto e^{Ht}\)) [1, 2]. Tämä ratkaisee horisontti- ja tasaisuusongelmat ja jättää jälkiä kosmiseen mikroaaltotaustaan (CMB). Menestyksestään huolimatta \(\Lambda\)CDM riippuu spekulatiivisista osatekijöistä: havaitsemattomasta inflatonihiukkasesta, hienosäädetyistä potentiaalimaisemista ja suvaitsevaisuudesta fotonien punasiirtymän aiheuttamalle ilmeiselle energian säilymättömyydelle.
Esittelen säteilyn ohjaaman vaihtoehdon. Mallini alkaa lineaarisella laajenemisella, siirtyy luonnollisesti eksponentiaaliseen inflaatioon, kun fotonit hallitsevat ja horisontit erkanevat, ja jatkuu nykyiseen kiihtyvään aikakauteen. Kolme keskeistä periaatetta erottavat tämän kehyksen:
Planckin aikakaudella (\(t = 1 \, t_P = 5.39 \times 10^{-44} \, \text{s}\)) universumi laajenee lineaarisesti skaalatekijällä \(a(t) \propto t\). Sen varsinainen koko on \(R(t) = ct\), ja energian tiheys on Planckin skaalassa:
\[ \rho \approx 5 \times 10^{96} \, \text{kg} \, \text{m}^{-3}. \]
Friedmannin yhtälö ohjaa laajenemista:
\[ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, \]
jossa \(H = 1/t\) ja kaarevuus on mitätön. Tässä vaiheessa fotoneja ei ole, joten säteilyn paine ei vielä vaikuta.
Ajassa \(t \sim 10^{20} \, t_P \, (\sim 10^{-36} \, \text{s})\) hiukkasten muodostuminen tuottaa fotoneja kvarkki-gluoniplasmassa lämpötilassa \(T \approx 10^{28} \, \text{K}\). Säteilyn paine syntyy:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, \]
jossa \(a = 7.566 \times 10^{-16} \, \text{J} \, \text{m}^{-3} \, \text{K}^{-4}\). Tämä tuottaa \(P \sim 10^{92} \, \text{Pa}\). Vaikka valtava, gravitaatio hallitsee edelleen, ja laajeneminen pysyy hidastuvana.
Ajassa \(t \approx 10^{22} \, t_P \, (\sim 10^{-34} \, \text{s})\) universumin säde ylittää Schwarzschildin kaltaisen horisonttinsa:
\[ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. \]
Kun hiukkashorisontti \(d_p \approx ct\) ylittää \(r_s\):n, alueet erkanevat kausaalisesti.
Jokaisella horisonttialueella havaitsijat mittaavat \(c = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}\), mikä on sopusoinnussa Einsteinin juna- ja rakettiajatuskokeiden kanssa. Globaalisti kuitenkin taantumisnopeudet ylittävät \(c\):n, kuten tavallisessa kosmologiassa. Parametroin tämän seuraavasti:
\[ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, \]
mikä ei tarkoita \(c\):n kirjaimellista vaihtelua, vaan koodaa sen paikallisuuden. Näin \(c\) pysyy invarianttina jokaiselle havaitsijalle heidän kausaalihorisonttinsa sisällä, kun taas globaali superluminaalinen laajeneminen heijastaa erkaantumista, ei suhteellisuusteorian rikkomista.
\(\Lambda\)CDM-mallissa fotonien energia vähenee aallonpituuksien venyessä:
\[ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. \]
Ilmeinen energian menetys johtuu laajenemisesta ilman globaalia säilymislakia.
Mallini ratkaisee tämän paradoksin: punasiirtymän menettämä energia absorboituu kausaalihorisonteissa ja jaetaan uudelleen säteilyn paineeseen, tehden tehokkaasti työtä metrillä:
\[ \Delta E_{\text{punasiirtymä}} \;\rightarrow\; \Delta P_{\text{säteily}} \cdot V. \]
Einsteinin ekvivalenssiperiaate yhdistää gravitaation kiihtyvyyteen. Tämä tarjoaa konkreettisen tavan nähdä punasiirtymä ei energian tuhoutumisena, vaan sen muuntumisena kineettiseksi työksi.
Ajatuskoe: Harkitse sinistä laseria, joka ammutaan planeetan pinnalta ylöspäin. Fotonit kiipeävät gravitaatiopotentiaalista ja saapuvat kaukaiselle havaitsijalle punasiirtyneinä. Havaitsijan mielestä jokainen fotoni kantaa vähemmän energiaa. Kuitenkin lähde koki emittoitujen fotonien täyden massa-energian: se siirsi liikemäärän, joka vastaa niiden punasiirtymätöntä energiaa ja säteilyn painetta.
Minne “puuttuva” energia on mennyt? Se on investoitu gravitaatiokenttään, tehden työn, joka tarvitaan fotonien nostamiseen potentiaalikuopasta.
Analogisesti kosmologiassa varhaisina aikoina emitoidut fotonit menettävät energiaa kosmologisen punasiirtymän kautta. Paikallisesti emittoiva alue kokee niiden täyden säteilyn paineen. Globaalisti ilmeinen vajaus ei ole menetetty; se on muunnettu työksi metrillä – erityisesti kiihdytetyksi laajenemiseksi.
\[ \Delta E_{\text{fotoni}} \;=\; W_{\text{laajeneminen}} . \]
Tämän analogian pohjalta ehdotan, että kausaalihorisontit toimivat punasiirtymän energian välittäjinä:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{punasiirtymä}}, \]
muokaten kiihtyvyysyhtälöä:
\[ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). \]
Kun \(\Delta P_{\text{punasiirtymä}} > 0\), laajeneminen kiihtyy ilman inflatonin käyttöä.
Tämän mekanismin formalisointi vaatii:
Ajassa \(t \approx 2.6 \times 10^{71} \, t_P\) (13.8 miljardia vuotta) CMB:n lämpötila on \(T = 2.7 \, \text{K}\), ja säteilyn paine on laskenut arvoon \(P \sim 10^{-31} \, \text{Pa}\). Kuitenkin sama horisontin välittämä mekanismi jatkuu: punasiirtymän energia ruokkii edelleen kosmista kiihtyvyyttä, vaikuttaen myöhäisen ajan dynamiikkaan, joka yleensä attribuoidaan pimeään energiaan (\(\Omega_\Lambda \approx 0.7\)).
Ehdotan kahdeksaa havainnollista testiä, joista jokaisella on erilaisia signaaleja, jotka voivat erottaa tämän mallin \(\Lambda\)CDM:stä.
| Ominaisuus | \(\Lambda\)CDM | Säteilyn ohjaama malli |
|---|---|---|
| Inflaation ohjain | Skalaari-inflatonikenttä | Säteilyn paine + punasiirtymän energia |
| Energian säilyminen | Ei globaalisti määritelty | Termodynaamisesti pakotettu horisonttien kautta |
| Valonnopeus | Globaalisti invariantti | Paikallisesti invariantti horisonteissa |
| Horisontti-/tasaisuusongelmat | Ratkaistu inflatonilla | Ratkaistu säteilyllä + horisonteilla |
| Pimeä energia | Kosmologinen vakio (\(\Lambda\)) | Punasiirtymä-säteily mekanismin jatko |
| CMB-ennusteet | Standardispektri | Pienen mittakaavan parannukset, mahdolliset B-moodin erot |
| Hubble-jännite | Ratkaisematon | Luonnollinen keskimääräinen \(H_0\) |
| Havainnollinen tila | Tuettu, mutta epätäydellinen | Yhteensopiva tietojen kanssa, ei vielä kumottu |
Tämä kehys uudelleenmäärittelee inflaation termodynaamiseksi prosessiksi, joka on luontainen säteilylle, eikä vaadi spekulatiivista inflatonia. Se tarjoaa mekanismin energian säilymiselle laajenevassa avaruusajassa ja sovittaa yhteen suhteellisuusteorian paikalliset postulaatit kosmologisten horisonttien kanssa.
Haasteita jää. Punasiirtymän energian uudelleenjakautumisen tarkka dynamiikka vaatii lisämatemaattista kehitystä, ja modifioitujen Friedmannin yhtälöiden numeraaliset simulaatiot ovat välttämättömiä. Havainnollinen erottelu riippuu tulevista missioista (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA).
Esittelen kosmologian, jossa säteilyn paine, moduloitu kausaalihorisonteilla ja punasiirtymän energialla, ohjaa sekä inflaatiota että nykyistä laajenemista. Tämä malli eliminoi tarpeen hypoteettiselle inflatonille, palauttaa termodynaamisen johdonmukaisuuden ja sovittaa Einsteinin paikallisen \(c\):n invariassin kosmologisen superluminaalisuuden kanssa. Nykyiset tiedot ovat yhteensopivia \(\Lambda\)CDM:n kanssa, mutta ehdotetut havainnolliset testit tarjoavat polun validoinnille tai kumoamiselle.
[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).