https://madrid.hostmaster.org/articles/cosmology_radiation_driven_inflation/pl.html
Proponuję model kosmologiczny, w którym epoka inflacji jest napędzana ciśnieniem promieniowania, a nie skalarowym polem inflatonu. Począwszy od liniowej ekspansji w epoce Plancka, wszechświat przechodzi w wykładniczą inflację przy \(t \approx 10^{22} \, t_P\), gdy czasoprzestrzeń rozciąga się poza horyzonty przyczynowe, redefiniując prędkość światła (\(c\)) jako lokalnie niezmienny parametr. Zakłada się, że energia tracona na przesunięcie ku czerwieni fotonów jest redystrybuowana do ciśnienia promieniowania, napędzając w ten sposób inflację i zapewniając zachowanie energii w rozszerzającym się wszechświecie. Lokalne obszary Minkowskiego zachowują niezmienność \(c\), rozwiązując problemy horyzontu i płaskości, jednocześnie godząc szczególną teorię względności z kosmiczną recesją nadświetlną. Zarysowano osiem testów obserwacyjnych, z oczekiwanymi sygnaturami w kosmicznym promieniowaniu tła (CMB), falach grawitacyjnych i strukturze wielkoskalowej. Obecne dane są zgodne z modelem \(\Lambda\)CDM, ale nie wykluczają tego modelu, pozostawiając otwartą drogę do weryfikacji za pomocą przyszłych eksperymentów o wysokiej precyzji.
Standardowa kosmologia \(\Lambda\)CDM opisuje gorący Wielki Wybuch w \(t = 0\), po którym następuje krótki okres inflacji od \(t \approx 10^{-36} \, \text{s}\) do \(10^{-34} \, \text{s}\). Epoka ta jest napędzana przez skalarne pole „inflaton”, którego potencjał wywołuje wykładniczą ekspansję (\(a(t) \propto e^{Ht}\)) [1, 2]. Rozwiązuje to problemy horyzontu i płaskości oraz pozostawia ślady w kosmicznym promieniowaniu tła (CMB). Pomimo sukcesu, \(\Lambda\)CDM opiera się na spekulatywnych składnikach: niewykrytej cząstce inflatonu, precyzyjnie dostrojonych krajobrazach potencjału oraz tolerancji dla pozornego braku zachowania energii spowodowanego przesunięciem ku czerwieni fotonów.
Przedstawiam alternatywę napędzaną promieniowaniem. Mój model rozpoczyna się od liniowej ekspansji, naturalnie przechodzi w wykładniczą inflację, gdy fotony zaczynają dominować, a horyzonty się rozłączają, i trwa w erze współczesnego przyspieszenia. Trzy centralne zasady wyróżniają ten model:
W epoce Plancka (\(t = 1 \, t_P = 5.39 \times 10^{-44} \, \text{s}\)), wszechświat rozszerza się liniowo z czynnikiem skali \(a(t) \propto t\). Jego właściwy rozmiar wynosi \(R(t) = ct\), a gęstość energii jest na poziomie skali Plancka:
\[ \rho \approx 5 \times 10^{96} \, \text{kg} \, \text{m}^{-3}. \]
Równanie Friedmanna rządzi ekspansją:
\[ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, \]
gdzie \(H = 1/t\), a krzywizna jest pomijalna. Na tym etapie fotony są nieobecne, więc ciśnienie promieniowania jeszcze nie odgrywa roli.
Przy \(t \sim 10^{20} \, t_P \, (\sim 10^{-36} \, \text{s}\)), powstawanie cząstek generuje fotony w plazmie kwarkowo-gluonowej przy \(T \approx 10^{28} \, \text{K}\). Pojawia się ciśnienie promieniowania:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, \]
gdzie \(a = 7.566 \times 10^{-16} \, \text{J} \, \text{m}^{-3} \, \text{K}^{-4}\). Daje to \(P \sim 10^{92} \, \text{Pa}\). Choć ogromne, grawitacja nadal dominuje, a ekspansja pozostaje zwalniająca.
Przy \(t \approx 10^{22} \, t_P \, (\sim 10^{-34} \, \text{s}\)), promień wszechświata przekracza horyzont typu Schwarzschilda:
\[ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. \]
Gdy horyzont cząstek \(d_p \approx ct\) przekracza \(r_s\), regiony rozłączają się przyczynowo.
W każdym obszarze horyzontu obserwatorzy mierzą \(c = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}\), zgodnie z eksperymentami myślowymi Einsteina dotyczącymi pociągu i rakiety. Globalnie jednak prędkości recesji przekraczają \(c\), jak w standardowej kosmologii. Parametryzuję to jako:
\[ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, \]
co nie oznacza literalnej zmiany \(c\), lecz koduje jego lokalność. Zatem \(c\) pozostaje niezmienne dla każdego obserwatora w obrębie jego horyzontu przyczynowego, podczas gdy globalna ekspansja nadświetlna odzwierciedla rozłączenie, a nie naruszenie relativizmu.
W \(\Lambda\)CDM energia fotonów maleje, gdy ich długości fal się rozciągają:
\[ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. \]
Pozorna utrata energii jest przypisywana ekspansji, bez globalnego prawa zachowania.
Mój model rozwiązuje ten paradoks: energia tracona na przesunięcie ku czerwieni jest absorbowana na horyzontach przyczynowych i redystrybuowana do ciśnienia promieniowania, efektywnie wykonując pracę na metryce:
\[ \Delta E_{\text{przesunięcie ku czerwieni}} \;\rightarrow\; \Delta P_{\text{promieniowanie}} \cdot V. \]
Zasada równoważności Einsteina utożsamia grawitację z przyspieszeniem. Daje to konkretny sposób postrzegania przesunięcia ku czerwieni nie jako niszczenia energii, lecz jako jej konwersji na pracę kinetyczną.
Eksperyment myślowy: Rozważmy niebieski laser wystrzelony w górę z powierzchni planety. Fotony wspinają się poza potencjał grawitacyjny i docierają do odległego obserwatora z przesunięciem ku czerwieni. Dla obserwatora każdy foton wydaje się mieć mniej energii. Jednak laser w źródle doświadczył pełnej energii-masy wyemitowanych fotonów: przeniósł pęd zgodny z ich nieprzesuniętą energią i ciśnieniem promieniowania.
Gdzie podziała się „brakująca” energia? Została zainwestowana w pole grawitacyjne, wykonując pracę potrzebną do wyniesienia fotonów z potencjału.
Analogicznie, w kosmologii, fotony emitowane we wczesnych czasach tracą energię przez kosmiczne przesunięcie ku czerwieni. Lokalnie region emitujący doświadcza ich pełnego ciśnienia promieniowania. Globalnie jednak pozorny deficyt nie jest stracony; został przekształcony w pracę na metryce – konkretnie w przyspieszoną ekspansję.
\[ \Delta E_{\text{foton}} \;=\; W_{\text{ekspansja}} . \]
Opierając się na tej analogii, proponuję, że horyzonty przyczynowe działają jako mediatory energii przesunięcia ku czerwieni:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{przesunięcie ku czerwieni}}, \]
modyfikując równanie przyspieszenia:
\[ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). \]
Przy \(\Delta P_{\text{przesunięcie ku czerwieni}} > 0\), ekspansja przyspiesza bez odwoływania się do inflatonu.
Aby sformalizować ten mechanizm, potrzebne są:
Przy \(t \approx 2.6 \times 10^{71} \, t_P\) (13,8 miliarda lat), temperatura CMB wynosi \(T = 2.7 \, \text{K}\), a ciśnienie promieniowania zmalało do \(P \sim 10^{-31} \, \text{Pa}\). Jednak ten sam mechanizm pośredniczony przez horyzonty trwa: energia przesunięcia ku czerwieni nadal napędza przyspieszenie kosmiczne, przyczyniając się do dynamiki późnego czasu, zwykle przypisywanej ciemnej energii (\(\Omega_\Lambda \approx 0.7\)).
Proponuję osiem testów obserwacyjnych, z których każdy ma wyraźne sygnatury, które mogą odróżnić ten model od \(\Lambda\)CDM.
| Cecha | \(\Lambda\)CDM | Model napędzany promieniowaniem |
|---|---|---|
| Czynnik inflacji | Skalarne pole inflatonu | Ciśnienie promieniowania + energia przesunięcia ku czerwieni |
| Zachowanie energii | Niezdefiniowane globalnie | Termodynamicznie wymuszane przez horyzonty |
| Prędkość światła | Globalnie niezmienna | Lokalnie niezmienna w horyzontach |
| Problemy horyzontu/płaskości | Rozwiązane przez inflaton | Rozwiązane przez promieniowanie + horyzonty |
| Ciemna energia | Stała kosmologiczna (\(\Lambda\)) | Kontynuacja mechanizmu promieniowanie-przesunięcie |
| Przewidywania CMB | Standardowe widmo | Wzmocnienia na małą skalę, możliwe różnice w trybie B |
| Napięcie Hubble’a | Nierozwiązane | Naturalne pośrednie \(H_0\) |
| Status obserwacyjny | Wspierany, ale niekompletny | Zgodny z danymi, jeszcze nie sfalsyfikowany |
Ten model redefiniuje inflację jako proces termodynamiczny inherentny dla promieniowania, eliminując potrzebę spekulatywnego inflatonu. Zapewnia mechanizm zachowania energii w rozszerzającej się czasoprzestrzeni i godzi lokalne postulaty relativizmu z horyzontami kosmicznymi.
Wyzwania pozostają. Dokładna dynamika redystrybucji energii przesunięcia ku czerwieni wymaga dalszego rozwoju matematycznego, a symulacje numeryczne zmodyfikowanych równań Friedmanna są niezbędne. Rozróżnienie obserwacyjne będzie zależało od przyszłych misji (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA).
Przedstawiam kosmologię, w której ciśnienie promieniowania, modulowane przez horyzonty przyczynowe i energię przesunięcia ku czerwieni, napędza zarówno inflację, jak i współczesną ekspansję. Model ten eliminuje potrzebę hipotetycznego inflatonu, przywraca spójność termodynamiczną i godzi lokalną niezmienność \(c\) Einsteina z kosmiczną nadświetlnością. Obecne dane są zgodne z \(\Lambda\)CDM, ale zaproponowane testy obserwacyjne oferują drogę do weryfikacji lub falsyfikacji.
[1] Współpraca Planck, Wyniki Planck 2018. VI. Parametry kosmologiczne, Astron. Astrophys. 641, A6 (2020). [2] Guth, A. H., Wszechświat inflacyjny, Phys. Rev. D 23, 347 (1981). [3] Padmanabhan, T., Aspekty termodynamiczne grawitacji: nowe spojrzenie, Rep. Prog. Phys. 73, 046901 (2010). [4] Współpraca BICEP2/Keck, Lepsze ograniczenia na pierwotne fale grawitacyjne, Phys. Rev. Lett. 121, 221301 (2018).