โมเดลจักรวาลวิทยาใหม่: การพองตัวที่ขับเคลื่อนด้วยรังสีพร้อมขอบเขตเหตุผลท้องถิ่นและการกระจายพลังงานการเลื่อนสีแดงใหม่

ผมเสนอโมเดลจักรวาลวิทยาที่ยุคการพองตัวถูกขับเคลื่อนด้วยความดันรังสีแทนที่จะเป็นสนามสเกลาร์อินแฟลตอน เริ่มต้นด้วยการขยายตัวแบบเส้นตรงในยุคแพลนก์ จักรวาลจะเปลี่ยนไปสู่การพองตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลที่ t ≈ 10²² t_(P) เมื่ออวกาศ-เวลายืดขยายเกินขอบเขตเหตุผล โดยกำหนดความเร็วแสง (c) ใหม่เป็นพารามิเตอร์ที่ไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่น พลังงานที่สูญเสียไปจากการเลื่อนสีแดงของโฟตอนถูกสมมติว่าได้รับการกระจายใหม่เป็นความดันรังสี ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงให้กับการพองตัวและรับประกันการอนุรักษ์พลังงานในจักรวาลที่กำลังขยายตัว แพตช์มินคอฟสกีท้องถิ่นรักษาความไม่เปลี่ยนแปลงของ c ไว้ แก้ไขปัญหาขอบเขตและความแบนราบ ในขณะที่ประสานทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกับการถอยห่างแบบเร็วกว่าแสงในระดับจักรวาล การทดสอบเชิงสังเกตแปดครั้งถูกระบุไว้ พร้อมลายเซ็นที่คาดหวังในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) คลื่นความโน้มถ่วง และโครงสร้างขนาดใหญ่ ข้อมูลปัจจุบันสอดคล้องกับ ΛCDM แต่ไม่ได้ตัดโมเดลนี้ออก เปิดทางให้มีการตรวจสอบด้วยการทดลองที่มีความแม่นยำสูงในอนาคต

1. บทนำ

จักรวาลวิทยามาตรฐาน ΛCDM อธิบายถึงบิกแบงร้อนที่ t = 0 ตามด้วยช่วงการพองตัวสั้นๆ จาก t ≈ 10⁻³⁶ วินาที ถึง 10⁻³⁴ วินาที ยุคนี้ถูกขับเคลื่อนโดยสนามสเกลาร์ “อินแฟลตอน” ซึ่งศักยภาพของมันทำให้เกิดการขยายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียล (a(t) ∝ e^(Ht)) [1, 2] สิ่งนี้แก้ไขปัญหาขอบเขตและความแบนราบ และทิ้งรอยประทับในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) แม้จะประสบความสำเร็จ ΛCDM ต้องพึ่งพาส่วนประกอบที่เป็นการคาดเดา: อนุภาคอินแฟลตอนที่ยังไม่ถูกค้นพบ ภูมิทัศน์ศักยภาพที่ปรับแต่งอย่างละเอียด และการยอมรับการสูญเสียพลังงานที่เห็นได้ชัดจากการเลื่อนสีแดงของโฟตอน

ผมนำเสนอทางเลือกที่ขับเคลื่อนด้วยรังสี โมเดลของผมเริ่มต้นด้วยการขยายตัวแบบเส้นตรง เปลี่ยนไปสู่การพองตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลอย่างเป็นธรรมชาติเมื่อโฟตอนครอบงำและขอบเขตแยกจากกัน และดำเนินต่อไปในยุคการเร่งความเร็วสมัยใหม่ หลักการสำคัญสามประการที่ทำให้กรอบนี้แตกต่างคือ:

1.  ไม่ต้องใช้อินแฟลตอน ความดันรังสีเองที่ได้รับการเสริมด้วยพลังงานการเลื่อนสีแดง ขับเคลื่อนการพองตัว
2.  การอนุรักษ์พลังงานได้รับการฟื้นฟู พลังงานที่สูญเสียจากการเลื่อนสีแดงถูกนำกลับมาใช้ใหม่ในเชิงอุณหพลศาสตร์เป็นความดันรังสี ซึ่งทำงานในจักรวาลที่กำลังขยายตัว
3.  ความไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นของ c ภายในแต่ละแพตช์เหตุผล ผู้สังเกตวัดความเร็วแสงเดียวกัน สอดคล้องกับสมมติฐานของไอน์สไตน์ ในระดับโลก การถอยห่างแบบเร็วกว่าแสงเกิดขึ้นอย่างเป็นธรรมชาติจากการแยกตัวของเหตุผล

2. กรอบทฤษฎี

2.1 การขยายตัวแบบเส้นตรงในช่วงแรก (t = 0 ถึง t = 10²⁰ t_(P))

ในยุคแพลนก์ (t = 1 t_(P) = 5.39 × 10⁻⁴⁴ วินาที) จักรวาลขยายตัวแบบเส้นตรงด้วยปัจจัยสเกล a(t) ∝ t ขนาดที่แท้จริงคือ R(t) = ct และความหนาแน่นของพลังงานอยู่ในระดับสเกลแพลนก์:

ρ ≈ 5 × 10⁹⁶ กก 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

2.2 การเริ่มต้นของความดันรังสี (t = 10²⁰ t_(P))

เมื่อถึง t ∼ 10²⁰ t_(P) (∼10⁻³⁶ วินาที) การก่อตัวของอนุภาคสร้างโฟตอนในพลาสมาควาร์ก-กลูออนที่ T ≈ 10²⁸ เคลวิน ความดันรังสีปรากฏขึ้น:

$$
P = \frac{1}{3}\rho c^2, 
\qquad 
\rho = \frac{a T^4}{c^2},
$$

โดยที่ a = 7.566 × 10⁻¹⁶ จูล ม⁻³ เคลวิน⁻⁴ ส่งผลให้ P ∼ 10⁹² ปาสกาล แม้ว่าจะมหาศาล แรงโน้มถ่วงยังคงครอบงำ และการขยายตัวยังคงชะลอตัว

2.3 การแยกตัวของเหตุผลและความไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นของ c (t = 10²² t_(P))

ที่ t ≈ 10²² t_(P) (∼10⁻³⁴ วินาที) รัศมีของจักรวาลเกินขอบเขตแบบชวาร์ซชิลด์:

$$
r_s = \frac{2GM}{c^2}, 
\quad 
M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, 
\quad 
R = ct.
$$

เมื่อขอบเขตอนุภาค d_(p) ≈ ct เกิน r_(s) ภูมิภาคต่างๆ จะแยกตัวออกจากกันในเชิงเหตุผล

ภายในแต่ละแพตช์ขอบเขต ผู้สังเกตวัด c = 3 × 10⁸ 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

2.4 การกระจายพลังงานการเลื่อนสีแดงใหม่

ใน ΛCDM พลังงานของโฟตอนลดลงเมื่อความยาวคลื่นยืดออก:

$$
E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}.
$$

การสูญเสียพลังงานที่เห็นได้ชัดถูกอธิบายว่าเป็นผลจากการขยายตัว โดยไม่มีกฎการอนุรักษ์ในระดับโลก

โมเดลของผมแก้ไขความขัดแย้งนี้: พลังงานที่สูญเสียจากการเลื่อนสีแดงถูกดูดซับที่ขอบเขตเหตุผลและกระจายใหม่เป็นความดันรังสี ซึ่งทำงานอย่างมีประสิทธิภาพบนเมตริก:

ΔE_(การเลื่อนสีแดง) → ΔP_(รังสี) ⋅ V.

2.4.1 การเลื่อนสีแดงเป็นงานบนเมตริก

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

ΔE_(โฟตอน) = W_(การขยายตัว).

2.4.2 อุณหพลศาสตร์ของขอบเขตและกลไกการกระจายใหม่

จากเปรียบเทียบนี้ ผมเสนอว่าขอบเขตเหตุผลทำหน้าที่เป็นตัวกลางของพลังงานการเลื่อนสีแดง:

1.  การถ่ายโอนพลังงาน พลังงานโฟตอนลดลงตาม E ∝ a⁻¹ แทนที่จะหายไป พลังงานนี้ถูกดูดซับที่ขอบเขตอนุภาคหรือขอบเขตเหตุผลแบบชวาร์ซชิลด์
2.  การแมปการเลื่อนสีแดงโน้มถ่วง เช่นเดียวกับที่การเลื่อนสีแดงโน้มถ่วงถ่ายโอนพลังงานไปยังสนาม การเลื่อนสีแดงของจักรวาลถ่ายโอนพลังงานไปสู่การขยายตัวของเมตริก
3.  อุณหพลศาสตร์ของขอบเขต ขอบเขตมีเอนโทรปี (S ∝ A/4) และอุณหภูมิ (กิบบอนส์-ฮอว์คิง) พลังงานที่เลื่อนสีแดงมีส่วนช่วยในเอนโทรปีของขอบเขต และผ่านกรอบการโน้มถ่วงอุณหพลศาสตร์ของแพดมานับหัน [3] มันปรากฏใหม่เป็นความดันที่ทำงานบนการขยายตัว
4.  การเพิ่มความดัน

$$
P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{การเลื่อนสีแดง}},
$$

ซึ่งแก้ไขสมการการเร่งความเร็ว:

$$
\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right).
$$

ด้วย ΔP_(การเลื่อนสีแดง) > 0 การขยายตัวจะเร่งขึ้นโดยไม่ต้องเรียกใช้ อินแฟลตอน

2.4.3 ข้อพิจารณาอย่างเป็นทางการ

เพื่อทำให้กลไกนี้เป็นทางการ จำเป็นต้อง:

-   ทฤษฎีสนามควอนตัมในอวกาศ-เวลาที่โค้งเพื่ออธิบายการโต้ตอบระหว่างโฟตอนและขอบเขต
-   อุณหพลศาสตร์ของขอบเขต (การโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นของแพดมานับหัน เอนโทรปีของเบเคนสไตน์-ฮอว์คิง) เพื่อจำลองการดูดซับและการปล่อยพลังงานใหม่
-   การจำลองเชิงตัวเลขของพลวัตฟรีดแมนที่แก้ไขด้วย ΔP_(การเลื่อนสีแดง)

2.5 ยุคสมัยใหม่

ที่ t ≈ 2.6 × 10⁷¹ t_(P) (13.8 พันล้านปี) อุณหภูมิ CMB คือ T = 2.7 เคลวิน และความดันรังสีลดลงเหลือ P ∼ 10⁻³¹ ปาสกาล อย่างไรก็ตาม กลไกที่ขอบเขตเป็นตัวกลางยังคงดำเนินต่อไป: พลังงานการเลื่อนสีแดงยังคงเป็นเชื้อเพลิงให้กับการเร่งความเร็วของจักรวาล ซึ่งมีส่วนช่วยในพลวัตช่วงปลายที่มักถูกระบุว่าเป็นพลังงานมืด (Ω_(Λ) ≈ 0.7)

3. ความก้าวหน้าทางแนวคิด

1.  ไม่ต้องใช้อินแฟลตอน การพองตัวเกิดขึ้นอย่างเป็นธรรมชาติจากความดันรังสีที่ได้รับการเสริมด้วยพลังงานการเลื่อนสีแดง ซึ่งขจัดความจำเป็นสำหรับสนามสเกลาร์ที่ยังไม่ถูกค้นพบ
2.  การฟื้นฟูการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานการเลื่อนสีแดงถูกนำกลับมาใช้ใหม่เป็นความดันรังสี ทำให้การขยายตัวสอดคล้องกับหลักการอุณหพลศาสตร์
3.  ความไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นของ c สมมติฐานของไอน์สไตน์ยังคงใช้ได้ภายในแพตช์เหตุผล ในขณะที่การถอยห่างแบบเร็วกว่าแสงอธิบายได้โดยการแยกตัวของขอบเขต

4. การทดสอบเชิงสังเกตและลายเซ็นที่คาดหวัง

ผมเสนอการทดสอบเชิงสังเกตแปดครั้ง ซึ่งแต่ละครั้งมีลายเซ็นที่แตกต่างกันซึ่งสามารถแยกโมเดลนี้จาก ΛCDM ได้

4.1 ความไม่สม่ำเสมอของ CMB

-   การทดสอบ: วัดสเปกตรัมพลังงานของ CMB และโพลาไรเซชันโหมด B ด้วยความแม่นยำสูง
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: การเพิ่มขึ้นของความผันผวนขนาดเล็กที่มัลติโพล l > 1000 พร้อมกับโพลาไรเซชันโหมด B ที่ตรวจพบได้ที่ l < 100 (r ≈ 0.05–0.1)

4.2 ความหนาแน่นของพลังงานรังสีที่ขึ้นกับการเลื่อนสีแดง

-   การทดสอบ: สังเกตการปรับสเกลของความหนาแน่นของพลังงานรังสี ρ_(รังสี) กับการเลื่อนสีแดง
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: ที่ z > 1100 ρ_(รังสี) ควรเบี่ยงเบนจากสเกลมาตรฐาน  ∝ a⁻⁴

4.3 พื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วง (GWB)

-   การทดสอบ: ค้นหาพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงแบบสุ่มจากยุคการพองตัว
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: จุดสูงสุดที่  ∼ 10⁻⁹ เฮิร์ตซ์ ด้วยความเค้นลักษณะเฉพาะ h_(c) ≈ 10⁻¹⁵

4.4 ความตึงเครียดของฮับเบิลและการเร่งความเร็วช่วงปลาย

-   การทดสอบ: วัดค่าคงที่ของฮับเบิล H₀ และสมการสถานะของพลังงานมืด w
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: H₀ ≈ 70 กม/วินาที/เมกะพาร์เซก โดย w อยู่ระหว่าง  − 0.8 และ 0 ที่ z < 1

4.5 โครงสร้างขนาดขอบเขต

-   การทดสอบ: แมปโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ 10–100 เมกะพาร์เซก
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: การรวมกลุ่มที่เพิ่มขึ้นและช่องว่างขนาดใหญ่ที่ผิดปกติ

4.6 การเลื่อนของเส้นสเปกตรัม

-   การทดสอบ: วิเคราะห์สเปกตรัมการเลื่อนสีแดงสูง
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: การขยายหรือการเลื่อนพลังงาน 0.1–1% ที่ z > 5

4.7 ลายเซ็นอุณหพลศาสตร์ของขอบเขต

-   การทดสอบ: สำรวจเอนโทรปีและการไหลที่ขอบเขตของจักรวาล
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: การเติบโตของเอนโทรปีของขอบเขต ΔS ∼ 10¹²⁰k_(B)

4.8 การสังเคราะห์นิวเคลียสเริ่มแรก

-   การทดสอบ: วัดความอุดมสมบูรณ์ของธาตุเบา
-   ลายเซ็นที่คาดหวัง: การเพิ่มขึ้น 1–5% ใน ⁴He และการลดลงในดิวเทอเรียม

5. การเปรียบเทียบกับ ΛCDM

  -------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  คุณลักษณะ                 ΛCDM                             โมเดลที่ขับเคลื่อนด้วยรังสี
  ------------------------- -------------------------------- --------------------------------------------------
  ตัวขับเคลื่อนการพองตัว    สนามสเกลาร์อินแฟลตอน             ความดันรังสี + พลังงานการเลื่อนสีแดง

  การอนุรักษ์พลังงาน        ไม่ได้กำหนดในระดับโลก            ถูกบังคับในเชิงอุณหพลศาสตร์ผ่านขอบเขต

  ความเร็วแสง               ไม่เปลี่ยนแปลงในระดับโลก         ไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นภายในขอบเขต

  ปัญหาขอบเขต/ความแบนราบ    แก้ไขโดยอินแฟลตอน                แก้ไขโดยรังสี + ขอบเขต

  พลังงานมืด                คงที่ของจักรวาล (Λ)              การต่อเนื่องของกลไกการเลื่อนสีแดง-รังสี

  การทำนาย CMB              สเปกตรัมมาตรฐาน                  การเพิ่มขนาดเล็ก ความแตกต่างที่เป็นไปได้ในโหมด B

  ความตึงเครียดของฮับเบิล   ยังไม่แก้ไข                      H₀ ระดับกลางตามธรรมชาติ

  สถานะการสังเกต            ได้รับการสนับสนุนแต่ไม่สมบูรณ์   สอดคล้องกับข้อมูล ยังไม่ถูกหักล้าง
  -------------------------------------------------------------------------------------------------------------

6. การอภิปราย

กรอบนี้กำหนดการพองตัวใหม่เป็นกระบวนการอุณหพลศาสตร์ที่อยู่ในรังสี โดยไม่จำเป็นต้องใช้อินแฟลตอนที่เป็นการคาดเดา มันให้กลไกสำหรับการอนุรักษ์พลังงานในอวกาศ-เวลาที่กำลังขยายตัว และประสานสมมติฐานท้องถิ่นของทฤษฎีสัมพัทธภาพกับขอบเขตของจักรวาล

ยังคงมีความท้าทายอยู่ พลวัตที่แน่นอนของการกระจายพลังงานการเลื่อนสีแดงใหม่ต้องการการพัฒนาทางคณิตศาสตร์เพิ่มเติม และการจำลองเชิงตัวเลขของสมการฟรีดแมนที่แก้ไขนั้นจำเป็น การแยกแยะเชิงสังเกตจะขึ้นอยู่กับภารกิจในอนาคต (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA)

7. สรุป

ผมนำเสนอจักรวาลวิทยาที่ความดันรังสี ซึ่งถูกปรับโดยขอบเขตเหตุผลและพลังงานการเลื่อนสีแดง ขับเคลื่อนทั้งการพองตัวและการขยายตัวในปัจจุบัน โมเดลนี้ขจัดความจำเป็นสำหรับอินแฟลตอนที่เป็นสมมติฐาน ฟื้นฟูความสอดคล้องทางอุณหพลศาสตร์ และประสานความไม่เปลี่ยนแปลงในระดับท้องถิ่นของ c ของไอน์สไตน์กับความเร็วกว่าแสงในระดับจักรวาล ข้อมูลปัจจุบันสอดคล้องกับ ΛCDM แต่การทดสอบเชิงสังเกตที่เสนอให้ทางสำหรับการตรวจสอบหรือการหักล้าง

อ้างอิง

[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).