https://madrid.hostmaster.org/articles/cosmology_radiation_driven_inflation/id.html
Saya mengusulkan model kosmologi di mana masa inflasi didorong oleh tekanan radiasi alih-alih medan inflaton skalar. Dimulai dengan ekspansi linier pada masa Planck, alam semesta beralih ke inflasi eksponensial pada \(t \approx 10^{22} \, t_P\) ketika ruang-waktu meregang melampaui cakrawala kausal, mendefinisikan ulang kecepatan cahaya (\(c\)) sebagai parameter yang secara lokal invarian. Dihipotesiskan bahwa energi yang hilang akibat pergeseran merah foton didistribusikan kembali ke tekanan radiasi, sehingga memicu inflasi dan memastikan konservasi energi dalam alam semesta yang sedang mengembang. Patch Minkowski lokal mempertahankan invariansi \(c\), mengatasi masalah cakrawala dan kerataan sambil merekonsiliasi relativitas khusus dengan resesi superluminal kosmologis. Delapan uji observasi diuraikan, dengan tanda-tanda yang diharapkan pada CMB, gelombang gravitasi, dan struktur berskala besar. Data saat ini selaras dengan \(\Lambda\)CDM tetapi tidak mengecualikan model ini, membuka jalan untuk validasi dengan eksperimen presisi tinggi di masa depan.
Kosmologi standar \(\Lambda\)CDM menggambarkan Big Bang panas pada \(t = 0\), diikuti oleh periode inflasi singkat dari \(t \approx 10^{-36} \, \text{s}\) hingga \(10^{-34} \, \text{s}\). Masa ini didorong oleh medan “inflaton” skalar, yang potensinya menghasilkan ekspansi eksponensial (\(a(t) \propto e^{Ht}\)) [1, 2]. Ini menyelesaikan masalah cakrawala dan kerataan serta meninggalkan jejak pada latar belakang mikro kosmik (CMB). Namun, meskipun sukses, \(\Lambda\)CDM bergantung pada bahan spekulatif: partikel inflaton yang belum terdeteksi, lanskap potensial yang disetel halus, dan toleransi terhadap ketidakkonservasian energi yang tampak akibat pergeseran merah foton.
Saya memperkenalkan alternatif yang didorong oleh radiasi. Model saya dimulai dengan ekspansi linier, secara alami beralih ke inflasi eksponensial begitu foton mendominasi dan cakrawala terpisah, dan berlanjut ke era percepatan modern. Tiga prinsip utama membedakan kerangka ini:
Pada masa Planck (\(t = 1 \, t_P = 5.39 \times 10^{-44} \, \text{s}\)), alam semesta mengembang secara linier dengan faktor skala \(a(t) \propto t\). Ukuran sebenarnya adalah \(R(t) = ct\), dan densitas energi berada pada skala Planck:
\[ \rho \approx 5 \times 10^{96} \, \text{kg} \, \text{m}^{-3}. \]
Persamaan Friedmann mengatur ekspansi:
\[ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, \]
dengan \(H = 1/t\) dan kelengkungan yang dapat diabaikan. Pada tahap ini, foton tidak ada, sehingga tekanan radiasi belum berkontribusi.
Pada \(t \sim 10^{20} \, t_P \, (\sim 10^{-36} \, \text{s})\), pembentukan partikel menghasilkan foton dalam plasma quark-gluon pada \(T \approx 10^{28} \, \text{K}\). Tekanan radiasi muncul:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, \]
dengan \(a = 7.566 \times 10^{-16} \, \text{J} \, \text{m}^{-3} \, \text{K}^{-4}\). Ini menghasilkan \(P \sim 10^{92} \, \text{Pa}\). Meskipun besar, gravitasi masih mendominasi, dan ekspansi tetap melambat.
Pada \(t \approx 10^{22} \, t_P \, (\sim 10^{-34} \, \text{s})\), radius alam semesta melebihi cakrawala mirip Schwarzschild:
\[ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. \]
Ketika cakrawala partikel \(d_p \approx ct\) melampaui \(r_s\), wilayah-wilayah terpisah secara kausal.
Di dalam setiap patch cakrawala, pengamat mengukur \(c = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}\), sesuai dengan eksperimen pemikiran kereta dan roket Einstein. Namun, secara global, kecepatan resesi melebihi \(c\), seperti dalam kosmologi standar. Saya memparametrikannya sebagai:
\[ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, \]
tidak menyiratkan variasi literal dari \(c\), melainkan mengkodekan lokalitasnya. Dengan demikian, \(c\) tetap invarian bagi setiap pengamat dalam cakrawala kausal mereka, sementara ekspansi superluminal global mencerminkan pemisahan, bukan pelanggaran relativitas.
Dalam \(\Lambda\)CDM, energi foton berkurang saat panjang gelombang meregang:
\[ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. \]
Kehilangan energi yang tampak dikaitkan dengan ekspansi, tanpa hukum konservasi global.
Model saya menyelesaikan paradoks ini: energi yang hilang akibat pergeseran merah diserap di cakrawala kausal dan didistribusikan kembali ke tekanan radiasi, secara efektif melakukan kerja pada metrik:
\[ \Delta E_{\text{pergeseran merah}} \;\rightarrow\; \Delta P_{\text{radiasi}} \cdot V. \]
Prinsip ekivalensi Einstein mengidentifikasi gravitasi dengan percepatan. Ini memberikan cara konkret untuk melihat pergeseran merah bukan sebagai penghancuran energi, melainkan konversinya menjadi kerja kinetik.
Eksperimen Pemikiran: Pertimbangkan laser biru yang ditembakkan ke atas dari permukaan planet. Foton-foton naik keluar dari potensial gravitasi dan tiba di pengamat jauh dengan pergeseran merah. Bagi pengamat, setiap foton tampak membawa energi lebih sedikit. Namun, laser di sumber mengalami massa-energi penuh dari foton yang dipancarkan: ia mentransfer momentum yang konsisten dengan energi tanpa pergeseran merah dan tekanan radiasi.
Ke mana energi “yang hilang” pergi? Energi tersebut telah diinvestasikan ke dalam medan gravitasi, melakukan kerja yang diperlukan untuk mengangkat foton keluar dari sumur potensial.
Secara analogi, dalam kosmologi, foton yang dipancarkan pada waktu awal kehilangan energi melalui pergeseran merah kosmologis. Secara lokal, wilayah yang memancarkan mengalami tekanan radiasi penuh mereka. Namun secara global, defisit yang tampak tidak hilang; ia telah dikonversi menjadi kerja pada metrik – khususnya, menjadi ekspansi yang dipercepat.
\[ \Delta E_{\text{foton}} \;=\; W_{\text{ekspansi}} . \]
Berdasarkan analogi ini, saya mengusulkan bahwa cakrawala kausal bertindak sebagai mediator energi pergeseran merah:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{pergeseran merah}}, \]
memodifikasi persamaan percepatan:
\[ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). \]
Dengan \(\Delta P_{\text{pergeseran merah}} > 0\), ekspansi dipercepat tanpa memerlukan inflaton.
Untuk memformalkan mekanisme ini diperlukan:
Pada \(t \approx 2.6 \times 10^{71} \, t_P\) (13.8 miliar tahun), suhu CMB adalah \(T = 2.7 \, \text{K}\), dan tekanan radiasi telah menurun menjadi \(P \sim 10^{-31} \, \text{Pa}\). Namun, mekanisme yang dimediasi cakrawala yang sama tetap berlangsung: energi pergeseran merah terus memicu percepatan kosmik, berkontribusi pada dinamika waktu akhir yang biasanya dikaitkan dengan energi gelap (\(\Omega_\Lambda \approx 0.7\)).
Saya mengusulkan delapan uji observasi, masing-masing dengan tanda-tanda berbeda yang dapat membedakan model ini dari \(\Lambda\)CDM.
| Fitur | \(\Lambda\)CDM | Model Didorong Radiasi |
|---|---|---|
| Penggerak Inflasi | Medan inflaton skalar | Tekanan radiasi + energi pergeseran merah |
| Konservasi Energi | Tidak didefinisikan secara global | Diterapkan secara termodinamis melalui cakrawala |
| Kecepatan Cahaya | Invarian secara global | Invarian secara lokal dalam cakrawala |
| Masalah Cakrawala/Kerataan | Diselesaikan oleh inflaton | Diselesaikan oleh radiasi + cakrawala |
| Energi Gelap | Konstanta kosmologis (\(\Lambda\)) | Kelanjutan mekanisme pergeseran merah-radiasi |
| Prediksi CMB | Spektrum standar | Peningkatan skala kecil, kemungkinan perbedaan mode-B |
| Ketegangan Hubble | Tidak terselesaikan | \(H_0\) menengah alami |
| Status Observasi | Didukung tetapi tidak lengkap | Konsisten dengan data, belum dipalsukan |
Kerangka ini merumuskan ulang inflasi sebagai proses termodinamis yang melekat pada radiasi, tanpa memerlukan inflaton spekulatif. Ini memberikan mekanisme untuk konservasi energi dalam ruang-waktu yang mengembang dan merekonsiliasi postulat lokal relativitas dengan cakrawala kosmologis.
Tantangan tetap ada. Dinamika pasti dari redistribusi energi pergeseran merah memerlukan pengembangan matematis lebih lanjut, dan simulasi numerik dari persamaan Friedmann yang dimodifikasi sangat penting. Diskriminasi observasi akan bergantung pada misi masa depan (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA).
Saya menyajikan kosmologi di mana tekanan radiasi, dimodulasi oleh cakrawala kausal dan energi pergeseran merah, mendorong baik inflasi maupun ekspansi saat ini. Model ini menghilangkan kebutuhan akan inflaton hipotetis, memulihkan konsistensi termodinamis, dan merekonsiliasi invariansi lokal \(c\) Einstein dengan superluminalitas kosmologis. Data saat ini kompatibel dengan \(\Lambda\)CDM, tetapi uji observasi yang diusulkan memberikan jalan untuk validasi atau pemalsuan.
[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).