https://madrid.hostmaster.org/articles/cosmology_radiation_driven_inflation/th.html
ผมเสนอโมเดลจักรวาลวิทยาที่ยุคการพองตัวถูกขับเคลื่อนด้วยความดันรังสีแทนที่จะเป็นสนามสเกลาร์อินแฟลตอน เริ่มต้นด้วยการขยายตัวแบบเส้นตรงในยุคแพลนก์ จักรวาลจะเปลี่ยนไปสู่การพองตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลที่ \(t \approx 10^{22} \, t_P\) เมื่ออวกาศ-เวลายืดขยายเกินขอบเขตเหตุผล โดยกำหนดความเร็วแสง (\(c\)) ใหม่เป็นพารามิเตอร์ที่ไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่น พลังงานที่สูญเสียไปจากการเลื่อนสีแดงของโฟตอนถูกสมมติว่าได้รับการกระจายใหม่เป็นความดันรังสี ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงให้กับการพองตัวและรับประกันการอนุรักษ์พลังงานในจักรวาลที่กำลังขยายตัว แพตช์มินคอฟสกีท้องถิ่นรักษาความไม่เปลี่ยนแปลงของ \(c\) ไว้ แก้ไขปัญหาขอบเขตและความแบนราบ ในขณะที่ประสานทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกับการถอยห่างแบบเร็วกว่าแสงในระดับจักรวาล การทดสอบเชิงสังเกตแปดครั้งถูกระบุไว้ พร้อมลายเซ็นที่คาดหวังในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) คลื่นความโน้มถ่วง และโครงสร้างขนาดใหญ่ ข้อมูลปัจจุบันสอดคล้องกับ \(\Lambda\)CDM แต่ไม่ได้ตัดโมเดลนี้ออก เปิดทางให้มีการตรวจสอบด้วยการทดลองที่มีความแม่นยำสูงในอนาคต
จักรวาลวิทยามาตรฐาน \(\Lambda\)CDM อธิบายถึงบิกแบงร้อนที่ \(t = 0\) ตามด้วยช่วงการพองตัวสั้นๆ จาก \(t \approx 10^{-36} \, \text{วินาที}\) ถึง \(10^{-34} \, \text{วินาที}\) ยุคนี้ถูกขับเคลื่อนโดยสนามสเกลาร์ “อินแฟลตอน” ซึ่งศักยภาพของมันทำให้เกิดการขยายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียล (\(a(t) \propto e^{Ht}\)) [1, 2] สิ่งนี้แก้ไขปัญหาขอบเขตและความแบนราบ และทิ้งรอยประทับในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) แม้จะประสบความสำเร็จ \(\Lambda\)CDM ต้องพึ่งพาส่วนประกอบที่เป็นการคาดเดา: อนุภาคอินแฟลตอนที่ยังไม่ถูกค้นพบ ภูมิทัศน์ศักยภาพที่ปรับแต่งอย่างละเอียด และการยอมรับการสูญเสียพลังงานที่เห็นได้ชัดจากการเลื่อนสีแดงของโฟตอน
ผมนำเสนอทางเลือกที่ขับเคลื่อนด้วยรังสี โมเดลของผมเริ่มต้นด้วยการขยายตัวแบบเส้นตรง เปลี่ยนไปสู่การพองตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลอย่างเป็นธรรมชาติเมื่อโฟตอนครอบงำและขอบเขตแยกจากกัน และดำเนินต่อไปในยุคการเร่งความเร็วสมัยใหม่ หลักการสำคัญสามประการที่ทำให้กรอบนี้แตกต่างคือ:
ในยุคแพลนก์ (\(t = 1 \, t_P = 5.39 \times 10^{-44} \, \text{วินาที}\)) จักรวาลขยายตัวแบบเส้นตรงด้วยปัจจัยสเกล \(a(t) \propto t\) ขนาดที่แท้จริงคือ \(R(t) = ct\) และความหนาแน่นของพลังงานอยู่ในระดับสเกลแพลนก์:
\[ \rho \approx 5 \times 10^{96} \, \text{กก} \, \text{ม}^{-3}. \]
สมการฟรีดแมนควบคุมการขยายตัว:
\[ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, \]
โดยที่ \(H = 1/t\) และความโค้งมีค่าน้อยมาก ในขั้นนี้ โฟตอนยังไม่มี ดังนั้นความดันรังสียังไม่ส่งผล
เมื่อถึง \(t \sim 10^{20} \, t_P \, (\sim 10^{-36} \, \text{วินาที})\) การก่อตัวของอนุภาคสร้างโฟตอนในพลาสมาควาร์ก-กลูออนที่ \(T \approx 10^{28} \, \text{เคลวิน}\) ความดันรังสีปรากฏขึ้น:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, \]
โดยที่ \(a = 7.566 \times 10^{-16} \, \text{จูล} \, \text{ม}^{-3} \, \text{เคลวิน}^{-4}\) ส่งผลให้ \(P \sim 10^{92} \, \text{ปาสกาล}\) แม้ว่าจะมหาศาล แรงโน้มถ่วงยังคงครอบงำ และการขยายตัวยังคงชะลอตัว
ที่ \(t \approx 10^{22} \, t_P \, (\sim 10^{-34} \, \text{วินาที})\) รัศมีของจักรวาลเกินขอบเขตแบบชวาร์ซชิลด์:
\[ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. \]
เมื่อขอบเขตอนุภาค \(d_p \approx ct\) เกิน \(r_s\) ภูมิภาคต่างๆ จะแยกตัวออกจากกันในเชิงเหตุผล
ภายในแต่ละแพตช์ขอบเขต ผู้สังเกตวัด \(c = 3 \times 10^8 \, \text{ม/วินาที}\) ซึ่งสอดคล้องกับการทดลองทางความคิดของไอน์สไตน์เกี่ยวกับรถไฟและจรวด อย่างไรก็ตาม ในระดับโลก ความเร็วการถอยห่างเกิน \(c\) เช่นเดียวกับในจักรวาลวิทยามาตรฐาน ผมกำหนดพารามิเตอร์นี้ว่า:
\[ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, \]
ซึ่งไม่ได้หมายถึงการเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงของ \(c\) แต่เข้ารหัสความเป็นท้องถิ่นของมัน ดังนั้น \(c\) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงสำหรับผู้สังเกตใดๆ ภายในขอบเขตเหตุผลของตน ในขณะที่การขยายตัวแบบเร็วกว่าแสงในระดับโลกสะท้อนถึงการแยกตัว ไม่ใช่การละเมิดทฤษฎีสัมพัทธภาพ
ใน \(\Lambda\)CDM พลังงานของโฟตอนลดลงเมื่อความยาวคลื่นยืดออก:
\[ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. \]
การสูญเสียพลังงานที่เห็นได้ชัดถูกอธิบายว่าเป็นผลจากการขยายตัว โดยไม่มีกฎการอนุรักษ์ในระดับโลก
โมเดลของผมแก้ไขความขัดแย้งนี้: พลังงานที่สูญเสียจากการเลื่อนสีแดงถูกดูดซับที่ขอบเขตเหตุผลและกระจายใหม่เป็นความดันรังสี ซึ่งทำงานอย่างมีประสิทธิภาพบนเมตริก:
\[ \Delta E_{\text{การเลื่อนสีแดง}} \;\rightarrow\; \Delta P_{\text{รังสี}} \cdot V. \]
หลักการสมมูลของไอน์สไตน์ระบุว่าแรงโน้มถ่วงเทียบเท่ากับการเร่งความเร็ว สิ่งนี้ให้วิธีที่เป็นรูปธรรมในการมองว่าการเลื่อนสีแดงไม่ใช่การทำลายพลังงาน แต่เป็นการแปลงเป็นงานจลน์
การทดลองทางความคิด: ลองจินตนาการถึงเลเซอร์สีน้ำเงินที่ยิงขึ้นจากพื้นผิวดาวเคราะห์ โฟตอนไต่ขึ้นจากศักยภาพโน้มถ่วงและมาถึงผู้สังเกตที่อยู่ห่างไกลด้วยการเลื่อนสีแดง สำหรับผู้สังเกต แต่ละโฟตอนดูเหมือนมีพลังงานน้อยลง อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ที่แหล่งกำเนิดได้รับพลังงาน-มวลเต็มของโฟตอนที่ปล่อยออกมา: มันถ่ายโอนโมเมนตัมที่สอดคล้องกับพลังงานที่ไม่มีการเลื่อนสีแดงและความดันรังสี
พลังงานที่ “หายไป” ไปไหน? มันถูกลงทุนในสนามโน้มถ่วง โดยทำงานที่จำเป็นในการยกโฟตอนออกจากหลุมศักยภาพ
โดยเปรียบเทียบ ในจักรวาลวิทยา โฟตอนที่ปล่อยออกมาในช่วงเวลาต้นเสียพลังงานผ่านการเลื่อนสีแดงของจักรวาล ในระดับท้องถิ่น บริเวณที่ปล่อยออกมาได้รับความดันรังสีเต็มของมัน แต่ในระดับโลก การขาดดุลที่เห็นได้ชัดไม่ได้สูญเสียไป มันถูกแปลงเป็น งานบนเมตริก - โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นการขยายตัวที่เร่งขึ้น
\[ \Delta E_{\text{โฟตอน}} \;=\; W_{\text{การขยายตัว}} . \]
จากเปรียบเทียบนี้ ผมเสนอว่าขอบเขตเหตุผลทำหน้าที่เป็นตัวกลางของพลังงานการเลื่อนสีแดง:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{การเลื่อนสีแดง}}, \]
ซึ่งแก้ไขสมการการเร่งความเร็ว:
\[ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). \]
ด้วย \(\Delta P_{\text{การเลื่อนสีแดง}} > 0\) การขยายตัวจะเร่งขึ้นโดยไม่ต้องเรียกใช้ อินแฟลตอน
เพื่อทำให้กลไกนี้เป็นทางการ จำเป็นต้อง:
ที่ \(t \approx 2.6 \times 10^{71} \, t_P\) (13.8 พันล้านปี) อุณหภูมิ CMB คือ \(T = 2.7 \, \text{เคลวิน}\) และความดันรังสีลดลงเหลือ \(P \sim 10^{-31} \, \text{ปาสกาล}\) อย่างไรก็ตาม กลไกที่ขอบเขตเป็นตัวกลางยังคงดำเนินต่อไป: พลังงานการเลื่อนสีแดงยังคงเป็นเชื้อเพลิงให้กับการเร่งความเร็วของจักรวาล ซึ่งมีส่วนช่วยในพลวัตช่วงปลายที่มักถูกระบุว่าเป็นพลังงานมืด (\(\Omega_\Lambda \approx 0.7\))
ผมเสนอการทดสอบเชิงสังเกตแปดครั้ง ซึ่งแต่ละครั้งมีลายเซ็นที่แตกต่างกันซึ่งสามารถแยกโมเดลนี้จาก \(\Lambda\)CDM ได้
| คุณลักษณะ | \(\Lambda\)CDM | โมเดลที่ขับเคลื่อนด้วยรังสี |
|---|---|---|
| ตัวขับเคลื่อนการพองตัว | สนามสเกลาร์อินแฟลตอน | ความดันรังสี + พลังงานการเลื่อนสีแดง |
| การอนุรักษ์พลังงาน | ไม่ได้กำหนดในระดับโลก | ถูกบังคับในเชิงอุณหพลศาสตร์ผ่านขอบเขต |
| ความเร็วแสง | ไม่เปลี่ยนแปลงในระดับโลก | ไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นภายในขอบเขต |
| ปัญหาขอบเขต/ความแบนราบ | แก้ไขโดยอินแฟลตอน | แก้ไขโดยรังสี + ขอบเขต |
| พลังงานมืด | คงที่ของจักรวาล (\(\Lambda\)) | การต่อเนื่องของกลไกการเลื่อนสีแดง-รังสี |
| การทำนาย CMB | สเปกตรัมมาตรฐาน | การเพิ่มขนาดเล็ก ความแตกต่างที่เป็นไปได้ในโหมด B |
| ความตึงเครียดของฮับเบิล | ยังไม่แก้ไข | \(H_0\) ระดับกลางตามธรรมชาติ |
| สถานะการสังเกต | ได้รับการสนับสนุนแต่ไม่สมบูรณ์ | สอดคล้องกับข้อมูล ยังไม่ถูกหักล้าง |
กรอบนี้กำหนดการพองตัวใหม่เป็นกระบวนการอุณหพลศาสตร์ที่อยู่ในรังสี โดยไม่จำเป็นต้องใช้อินแฟลตอนที่เป็นการคาดเดา มันให้กลไกสำหรับการอนุรักษ์พลังงานในอวกาศ-เวลาที่กำลังขยายตัว และประสานสมมติฐานท้องถิ่นของทฤษฎีสัมพัทธภาพกับขอบเขตของจักรวาล
ยังคงมีความท้าทายอยู่ พลวัตที่แน่นอนของการกระจายพลังงานการเลื่อนสีแดงใหม่ต้องการการพัฒนาทางคณิตศาสตร์เพิ่มเติม และการจำลองเชิงตัวเลขของสมการฟรีดแมนที่แก้ไขนั้นจำเป็น การแยกแยะเชิงสังเกตจะขึ้นอยู่กับภารกิจในอนาคต (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA)
ผมนำเสนอจักรวาลวิทยาที่ความดันรังสี ซึ่งถูกปรับโดยขอบเขตเหตุผลและพลังงานการเลื่อนสีแดง ขับเคลื่อนทั้งการพองตัวและการขยายตัวในปัจจุบัน โมเดลนี้ขจัดความจำเป็นสำหรับอินแฟลตอนที่เป็นสมมติฐาน ฟื้นฟูความสอดคล้องทางอุณหพลศาสตร์ และประสานความไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นของ \(c\) ของไอน์สไตน์กับความเร็วกว่าแสงในระดับจักรวาล ข้อมูลปัจจุบันสอดคล้องกับ \(\Lambda\)CDM แต่การทดสอบเชิงสังเกตที่เสนอให้ทางสำหรับการตรวจสอบหรือการหักล้าง
[1] ความร่วมมือ Planck, ผลลัพธ์ Planck 2018. VI. พารามิเตอร์จักรวาล, Astron. Astrophys. 641, A6 (2020). [2] Guth, A. H., จักรวาลที่พองตัว, Phys. Rev. D 23, 347 (1981). [3] Padmanabhan, T., แง่มุมอุณหพลศาสตร์ของแรงโน้มถ่วง: ข้อมูลเชิงลึกใหม่, Rep. Prog. Phys. 73, 046901 (2010). [4] ความร่วมมือ BICEP2/Keck, ข้อจำกัดที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับคลื่นความโน้มถ่วงดั้งเดิม, Phys. Rev. Lett. 121, 221301 (2018).