Nowy model kosmologiczny: Inflacja napędzana promieniowaniem z lokalnymi horyzontami przyczynowymi i redystrybucją energii przesunięcia ku czerwieni 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 ≈ 10²² 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 ΛCDM, ale nie wykluczają tego modelu, pozostawiając otwartą drogę do weryfikacji za pomocą przyszłych eksperymentów o wysokiej precyzji. 1. Wprowadzenie Standardowa kosmologia ΛCDM opisuje gorący Wielki Wybuch w t = 0, po którym następuje krótki okres inflacji od t ≈ 10⁻³⁶ s do 10⁻³⁴ s. Epoka ta jest napędzana przez skalarne pole „inflaton”, którego potencjał wywołuje wykładniczą ekspansję (a(t) ∝ e^(Ht)) [1, 2]. Rozwiązuje to problemy horyzontu i płaskości oraz pozostawia ślady w kosmicznym promieniowaniu tła (CMB). Pomimo sukcesu, ΛCDM 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: 1. Brak potrzeby inflatonu. Samo ciśnienie promieniowania, wsparte energią przesunięcia ku czerwieni, napędza inflację. 2. Przywrócenie zachowania energii. Energia tracona na przesunięcie ku czerwieni jest termodynamicznie przekształcana w ciśnienie promieniowania, wykonując pracę na rozszerzającym się wszechświecie. 3. Lokalna niezmienność c. W każdym przyczynowym obszarze obserwatorzy mierzą tę samą prędkość światła, zgodnie z postulatami Einsteina. Globalnie, nadświetlna recesja wynika naturalnie z rozłączenia przyczynowego. 2. Ramy teoretyczne 2.1 Wczesna ekspansja liniowa (t = 0 do t = 10²⁰ t_(P)) W epoce Plancka (t = 1 t_(P) = 5.39 × 10⁻⁴⁴ s), wszechświat rozszerza się liniowo z czynnikiem skali a(t) ∝ t. Jego właściwy rozmiar wynosi R(t) = ct, a gęstość energii jest na poziomie skali Plancka: ρ ≈ 5 × 10⁹⁶ kg 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. 2.2 Początek ciśnienia promieniowania (t = 10²⁰ t_(P)) Przy t ∼ 10²⁰ t_(P) ( ∼ 10⁻³⁶ s), powstawanie cząstek generuje fotony w plazmie kwarkowo-gluonowej przy T ≈ 10²⁸ K. Pojawia się ciśnienie promieniowania: $$ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, $$ gdzie a = 7.566 × 10⁻¹⁶ J m⁻³ K⁻⁴. Daje to P ∼ 10⁹² Pa. Choć ogromne, grawitacja nadal dominuje, a ekspansja pozostaje zwalniająca. 2.3 Rozłączenie przyczynowe i lokalna niezmienność c (t = 10²² t_(P)) Przy t ≈ 10²² t_(P) ( ∼ 10⁻³⁴ 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) ≈ ct przekracza r_(s), regiony rozłączają się przyczynowo. W każdym obszarze horyzontu obserwatorzy mierzą c = 3 × 10⁸ 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. 2.4 Redystrybucja energii przesunięcia ku czerwieni W ΛCDM 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: ΔE_(przesunięcie ku czerwieni) → ΔP_(promieniowanie) ⋅ V. 2.4.1 Przesunięcie ku czerwieni jako praca na metryce 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. ΔE_(foton) = W_(ekspansja). 2.4.2 Termodynamika horyzontów i mechanizm redystrybucji Opierając się na tej analogii, proponuję, że horyzonty przyczynowe działają jako mediatory energii przesunięcia ku czerwieni: 1. Transfer energii. Energia fotonów maleje jako E ∝ a⁻¹. Zamiast znikać, energia ta jest absorbowana na horyzontach cząstek lub granicach przyczynowych typu Schwarzschilda. 2. Mapowanie przesunięcia grawitacyjnego. Tak jak przesunięcie grawitacyjne przenosi energię na pole, kosmiczne przesunięcie ku czerwieni przenosi energię na ekspansję metryki. 3. Termodynamika horyzontów. Horyzonty posiadają entropię (S ∝ A/4) i temperaturę (Gibbons-Hawking). Energia przesunięta przyczynia się do entropii horyzontu, a poprzez ramy termodynamicznej grawitacji Padmanabhana [3], pojawia się ponownie jako ciśnienie wykonujące pracę na ekspansji. 4. Wzrost ciśnienia. $$ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{przesunięcie ku czerwieni}}, $$ modyfikując równanie przyspieszenia: $$ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). $$ Przy ΔP_(przesunięcie ku czerwieni) > 0, ekspansja przyspiesza bez odwoływania się do inflatonu. 2.4.3 Formalne rozważania Aby sformalizować ten mechanizm, potrzebne są: - Teoria pól kwantowych w zakrzywionej czasoprzestrzeni do opisu interakcji foton-horyzont. - Termodynamika horyzontów (emergentna grawitacja Padmanabhana, entropia Bekensteina-Hawkinga) do modelowania absorpcji i reemisji energii. - Symulacje numeryczne zmodyfikowanych dynamik Friedmanna z ΔP_(przesunięcie ku czerwieni). 2.5 Era współczesna Przy t ≈ 2.6 × 10⁷¹ t_(P) (13,8 miliarda lat), temperatura CMB wynosi T = 2.7 K, a ciśnienie promieniowania zmalało do P ∼ 10⁻³¹ 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 (Ω_(Λ) ≈ 0.7). 3. Postępy koncepcyjne 1. Brak potrzeby inflatonu. Inflacja wynika naturalnie z ciśnienia promieniowania wspartego energią przesunięcia ku czerwieni, eliminując potrzebę niewykrytego pola skalarnego. 2. Przywrócenie zachowania energii. Energia przesunięcia ku czerwieni jest przekształcana w ciśnienie promieniowania, dostosowując ekspansję do zasad termodynamicznych. 3. Lokalna niezmienność c. Postulat Einsteina obowiązuje w obszarach przyczynowych, podczas gdy nadświetlna recesja jest wyjaśniona przez separację horyzontów. 4. Testy obserwacyjne i oczekiwane sygnatury Proponuję osiem testów obserwacyjnych, z których każdy ma wyraźne sygnatury, które mogą odróżnić ten model od ΛCDM. 4.1 Anizotropie CMB - Test: Pomiar widma mocy CMB i polaryzacji w trybie B z wysoką precyzją. - Oczekiwana sygnatura: Wzmocnione fluktuacje na małą skalę przy multipolach l > 1000, wraz z wykrywalną polaryzacją w trybie B przy l < 100 (r ≈ 0.05–0.1). 4.2 Gęstość energii promieniowania zależna od przesunięcia ku czerwieni - Test: Obserwacja skalowania gęstości energii promieniowania ρ_(promieniowanie) z przesunięciem ku czerwieni. - Oczekiwana sygnatura: Przy z > 1100, ρ_(promieniowanie) powinno odbiegać od standardowego skalowania  ∝ a⁻⁴. 4.3 Tło fal grawitacyjnych (GWB) - Test: Poszukiwanie stochastycznego tła fal grawitacyjnych z epoki inflacji. - Oczekiwana sygnatura: Szczyt przy  ∼ 10⁻⁹ Hz, z charakterystycznym odkształceniem h_(c) ≈ 10⁻¹⁵. 4.4 Napięcie Hubble’a i przyspieszenie późnego czasu - Test: Pomiar stałej Hubble’a H₀ i równania stanu ciemnej energii w. - Oczekiwana sygnatura: H₀ ≈ 70 km/s/Mpc, z w między  − 0.8 a 0 przy z < 1. 4.5 Struktura na skali horyzontu - Test: Mapowanie struktury wielkoskalowej na 10–100 Mpc. - Oczekiwana sygnatura: Wzmocnione klastrowanie i nienormalnie duże pustki. 4.6 Przesunięcia linii widmowych - Test: Analiza widm o wysokim przesunięciu ku czerwieni. - Oczekiwana sygnatura: Poszerzenie lub przesunięcia energii o 0,1–1% przy z > 5. 4.7 Sygnatury termodynamiczne horyzontów - Test: Badanie entropii i przepływu na horyzontach kosmicznych. - Oczekiwana sygnatura: Wzrost entropii horyzontu ΔS ∼ 10¹²⁰k_(B). 4.8 Pierwotna nukleosynteza - Test: Pomiar obfitości lekkich pierwiastków. - Oczekiwana sygnatura: Wzrost o 1–5% dla ⁴He i spadek dla deuteru. 5. Porównanie z ΛCDM --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Cecha ΛCDM 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 (Λ) Kontynuacja mechanizmu promieniowanie-przesunięcie Przewidywania CMB Standardowe widmo Wzmocnienia na małą skalę, możliwe różnice w trybie B Napięcie Hubble’a Nierozwiązane Naturalne pośrednie H₀ Status obserwacyjny Wspierany, ale niekompletny Zgodny z danymi, jeszcze nie sfalsyfikowany --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6. Dyskusja 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). 7. Wnioski 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 ΛCDM, ale zaproponowane testy obserwacyjne oferują drogę do weryfikacji lub falsyfikacji. Bibliografia [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).