https://madrid.hostmaster.org/articles/cosmology_radiation_driven_inflation/is.html
Ég legg til heimsfræðilíkan þar sem verðbólgutímabilið er drifið áfram af geislaþrýstingi frekar en skalarinflatonreit. Byrjar með línulegri útþenslu á Planck-tímabilinu, fer alheimurinn yfir í veldisvaxandi verðbólgu við \(t \approx 10^{22} \, t_P\) þegar rúmtími teygir sig út fyrir orsökusjónarmið, endurskilgreinir ljóshraða (\(c\)) sem staðbundið óbreytanlegt gildi. Lagt er til að orka sem tapast vegna rauðviknis ljósgeisla sé endurdreift í geislaþrýsting, sem knýr verðbólgu og tryggir orkuvarðveislu í alheimi sem stækkar. Staðbundnir Minkowski-svæði varðveita óbreytanleika \(c\), takast á við vandamál sjónarheims og flatleika, og samræma sérstaka afstæðiskenningu við ofurljóshraða fjarlægingu í heimsfræði. Átta athugunartilraunir eru skisseraðar, með væntanlegum merkjum í geimgeislabakgrunni (CMB), þyngdarbylgjum og stórum skala uppbyggingu. Núverandi gögn samrýmast \(\Lambda\)CDM en útiloka ekki þetta líkan, og skilja eftir leið opna fyrir staðfestingu með framtíðar há-nákvæmni tilraunum.
Staðlað \(\Lambda\)CDM heimsfræði lýsir heitum Miklahvelli við \(t = 0\), fylgt af stuttu verðbólgutímabili frá \(t \approx 10^{-36} \, \text{s}\) til \(10^{-34} \, \text{s}\). Þetta tímabil er drifið áfram af skalar „inflaton“ reit, sem framleiðir veldisvaxandi útþenslu (\(a(t) \propto e^{Ht}\)) [1, 2]. Þetta leysir vandamál sjónarheims og flatleika og skilur eftir sig spor í geimgeislabakgrunni (CMB). Þrátt fyrir árangur sinn er \(\Lambda\)CDM háð tilgátum: ófundinn inflaton agna, fínstilltar möguleikalandslag og þol gagnvart skýru ósamræmi í orkuvarðveislu vegna rauðviknis ljósgeisla.
Ég kynnir geisladrifinn valkost. Líkan mitt byrjar með línulegri útþenslu, fer náttúrulega yfir í veldisvaxandi verðbólgu þegar ljósgeislar ráða og sjónarmið skiljast að, og heldur áfram inn í nútíma hröðunar tímabil. Þrír meginreglur greina þennan ramma:
Á Planck-tímabilinu (\(t = 1 \, t_P = 5.39 \times 10^{-44} \, \text{s}\)) þenst alheimurinn út línulega með mælikvarða \(a(t) \propto t\). Raunveruleg stærð hans er \(R(t) = ct\), og orkuþéttleiki er á Planck-skala:
\[ \rho \approx 5 \times 10^{96} \, \text{kg} \, \text{m}^{-3}. \]
Friedmann-jafnan stýrir útþenslunni:
\[ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, \]
með \(H = 1/t\) og óverulegri sveigju. Á þessu stigi eru ljósgeislar fjarverandi, svo geislaþrýstingur leggur enn ekki til.
Við \(t \sim 10^{20} \, t_P \, (\sim 10^{-36} \, \text{s})\) framleiðir agnamyndun ljósgeisla í kvark-glúon plasma við \(T \approx 10^{28} \, \text{K}\). Geislaþrýstingur kemur fram:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, \]
með \(a = 7.566 \times 10^{-16} \, \text{J} \, \text{m}^{-3} \, \text{K}^{-4}\). Þetta gefur \(P \sim 10^{92} \, \text{Pa}\). Þótt gríðarlegt sé, ræður þyngdarkraftur enn, og útþenslan heldur áfram að hægja á sér.
Við \(t \approx 10^{22} \, t_P \, (\sim 10^{-34} \, \text{s})\) fer radíus alheimsins yfir Schwarzschild-líkan sjónarheim:
\[ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. \]
Þegar agnasjónarheimurinn \(d_p \approx ct\) fer yfir \(r_s\), skiljast svæði að orsökulega.
Innan hvers sjónarheimssvæðis mæla athugendur \(c = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}\), í samræmi við hugsanlegar tilraunir Einsteins með lest og eldflaug. Á heimsvísu fara hins vegar fjarlægingarhraðar yfir \(c\), eins og í staðlaðri heimsfræði. Ég breytistærð þetta sem:
\[ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, \]
sem bendir ekki til bókstaflegrar breytingar á \(c\), heldur kóðar staðbundinn eðli þess. Þannig heldur \(c\) óbreyttu gildi fyrir hvern athuganda innan orsökusjónarheims síns, á meðan ofurljóshraði útþensla á heimsvísu endurspeglar aðskilnað, ekki brot á afstæðiskenningu.
Í \(\Lambda\)CDM minnkar orka ljósgeisla þegar bylgjulengdir teygjast:
\[ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. \]
Sýnilegt orkutap er rakið til útþenslu, án alþjóðlegs varðveislulaga.
Líkan mitt leysir þessa þversögn: orka sem tapast vegna rauðviknis er tekin upp við orsökusjónarmið og endurdreift í geislaþrýsting, sem í raun vinnur á mælikvarðanum:
\[ \Delta E_{\text{rauðvikni}} \;\rightarrow\; \Delta P_{\text{geisli}} \cdot V. \]
Jafngildisregla Einsteins auðkennir þyngdarkraft með hröðun. Þetta veitir áþreifanlega leið til að sjá rauðvikni ekki sem eyðingu orku, heldur umbreytingu hennar í hreyfiorku.
Hugsað tilraun: Íhuga bláan leysigeisla skotið upp frá yfirborði plánetu. Ljósgeislar klifra út úr þyngdarpotensiali og koma til fjarlægs athuganda rauðviknir. Fyrir athugandann virðist hver ljósgeisli bera minni orku. En leysirinn á upprunanum upplifði fulla massa-orku útgeisluðu ljósgeislanna: hann flutti skriðþunga í samræmi við órauðvikna orku þeirra og geislaþrýsting.
Hvert fór „týnda“ orkan? Hún var fjárfest í þyngdarsviðið, framkvæmandi vinnu sem þarf til að lyfta ljósgeislum úr potensialbrunninum.
Með hliðsjón af þessu, í heimsfræði, tapa ljósgeislar sem gefnir eru út á fyrstu tímum orku vegna heimsfræðilegs rauðviknis. Staðbundið upplifir útgeislandi svæðið fullan geislaþrýsting þeirra. En á heimsvísu er skýrt tap ekki glatað; það hefur umbreyst í vinnu á mælikvarðanum – sérstaklega í hröðun útþenslu.
\[ \Delta E_{\text{ljósgeisli}} \;=\; W_{\text{útþensla}} . \]
Byggt á þessari hliðstæðu, legg ég til að orsökusjónarmið virki sem miðlarar orku rauðviknis:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{rauðvikni}}, \]
breytir hröðunarjöfnunni:
\[ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). \]
Með \(\Delta P_{\text{rauðvikni}} > 0\), hröðun útþenslu án þess að kalla á inflaton.
Til að formfesta þennan búnað þarf:
Við \(t \approx 2.6 \times 10^{71} \, t_P\) (13.8 milljarðar ára), er CMB hiti \(T = 2.7 \, \text{K}\), og geislaþrýstingur hefur minnkað í \(P \sim 10^{-31} \, \text{Pa}\). Engu að síður heldur sami sjónarheimsmiðlaði búnaður áfram: orka rauðviknis heldur áfram að knýja heimsfræðilega hröðun, leggur til síðtíma dynamík sem venjulega er kennd við dökka orku (\(\Omega_\Lambda \approx 0.7\)).
Ég legg til átta athugunartilraunir, hver með sérstökum merkjum sem gætu greint þetta líkan frá \(\Lambda\)CDM.
| Eiginleiki | \(\Lambda\)CDM | Geislad rifið líkan |
|---|---|---|
| Verðbólgudrif | Skalarinflatonreitur | Geislaþrýstingur + orka rauðviknis |
| Orkuvarðveisla | Ekki skilgreint á heimsvísu | Varmfræðilega framfylgt í gegnum sjónarmið |
| Ljóshraði | Óbreytanlegur á heimsvísu | Staðbundið óbreytanlegur innan sjónarmiða |
| Sjónarheims/flatleika vandamál | Leyst af inflaton | Leyst af geisli + sjónarmið |
| Dökk orka | Heimsfræðilegur fasti (\(\Lambda\)) | Framhald af rauðvikni-geisla búnaði |
| CMB spár | Staðlað litróf | Aukning á smáum skala, mögulegar mismunir í B-ham |
| Hubble-spenna | Óleyst | Náttúrulegt miðgildi \(H_0\) |
| Athugunarstaða | Stuðningur en ófullkominn | Samrýmanleg gögnum, enn óafneitað |
Þessi rammi endurformar verðbólgu sem varmafræðilegt ferli innbyggt í geisla, án þörf á tilgátum inflaton. Hann veitir búnað fyrir orkuvarðveislu í útþenslu rúmtíma og samræmir staðbundnar kenningar afstæðiskenningar við heimsfræðilega sjónarmið.
Áskoranir standa enn. Nákvæm dynamík endurdreifingar orku rauðviknis krefst frekari stærðfræðilegrar þróunar, og tölulegar hermingar af breyttum Friedmann-jöfnum eru nauðsynlegar. Athugunargreining mun reiða sig á framtíðarverkefni (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA).
Ég kynni heimsfræði þar sem geislaþrýstingur, mótaður af orsökusjónarmiðum og orku rauðviknis, knýr bæði verðbólgu og núverandi útþenslu. Þetta líkan útilokar þörfina fyrir tilgátukenndan inflaton, endurheimtir varmafræðilega samræmi og samræmir staðbundinn óbreytanleika \(c\) Einsteins við heimsfræðilega ofurljóshraða. Núverandi gögn eru samrýmanleg \(\Lambda\)CDM, en tillögur að athugunartilraunum bjóða upp á leið til staðfestingar eða afneitunar.
[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).