https://ninkilim.com/articles/cosmology_radiation_driven_inflation/ru.html
Я предлагаю космологическую модель, в которой эпоха инфляции управляется давлением излучения, а не скалярным полем инфлатона. Начиная с линейного расширения в эпоху Планка, Вселенная переходит к экспоненциальной инфляции при \(t \approx 10^{22} \, t_P\), когда пространство-время растягивается за пределы причинных горизонтов, переопределяя скорость света (\(c\)) как локально инвариантный параметр. Предполагается, что энергия, теряемая из-за красного смещения фотонов, перераспределяется в давление излучения, тем самым подпитывая инфляцию и обеспечивая сохранение энергии в расширяющейся Вселенной. Локальные области Минковского сохраняют инвариантность \(c\), решая проблемы горизонта и плоскостности, одновременно согласовывая специальную теорию относительности с космологическим сверхсветовым удалением. Описаны восемь наблюдательных тестов с ожидаемыми сигнатурами в космическом микроволновом фоне (CMB), гравитационных волнах и крупномасштабной структуре. Текущие данные согласуются с \(\Lambda\)CDM, но не исключают эту модель, оставляя путь открытым для проверки с помощью будущих высокоточных экспериментов.
Стандартная космология \(\Lambda\)CDM описывает горячий Большой взрыв в \(t = 0\), за которым следует краткий период инфляции с \(t \approx 10^{-36} \, \text{с}\) до \(10^{-34} \, \text{с}\). Эта эпоха управляется скалярным полем «инфлатон», потенциал которого вызывает экспоненциальное расширение (\(a(t) \propto e^{Ht}\)) [1, 2]. Это решает проблемы горизонта и плоскостности и оставляет отпечатки в космическом микроволновом фоне (CMB). Несмотря на успех, \(\Lambda\)CDM зависит от спекулятивных компонентов: необнаруженной частицы инфлатона, тонко настроенных потенциальных ландшафтов и допущения кажущегося несохранения энергии из-за красного смещения фотонов.
Я представляю альтернативу, управляемую излучением. Моя модель начинается с линейного расширения, естественно переходит к экспоненциальной инфляции, когда фотоны начинают доминировать, а горизонты разъединяются, и продолжается в современную эпоху ускорения. Три центральных принципа отличают эту модель:
В эпоху Планка (\(t = 1 \, t_P = 5.39 \times 10^{-44} \, \text{с}\)), Вселенная расширяется линейно с масштабным фактором \(a(t) \propto t\). Ее собственный размер составляет \(R(t) = ct\), а плотность энергии находится на планковской шкале:
\[ \rho \approx 5 \times 10^{96} \, \text{кг} \, \text{м}^{-3}. \]
Уравнение Фридмана управляет расширением:
\[ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, \]
где \(H = 1/t\), а кривизна незначительна. На этом этапе фотоны отсутствуют, поэтому давление излучения еще не вносит вклада.
К \(t \sim 10^{20} \, t_P \, (\sim 10^{-36} \, \text{с}\)), образование частиц порождает фотоны в кварк-глюонной плазме при \(T \approx 10^{28} \, \text{К}\). Появляется давление излучения:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, \]
где \(a = 7.566 \times 10^{-16} \, \text{Дж} \, \text{м}^{-3} \, \text{К}^{-4}\). Это дает \(P \sim 10^{92} \, \text{Па}\). Хотя это огромно, гравитация все еще доминирует, и расширение остается замедляющимся.
При \(t \approx 10^{22} \, t_P \, (\sim 10^{-34} \, \text{с}\)), радиус Вселенной превышает ее горизонт, подобный горизонту Шварцшильда:
\[ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. \]
Когда горизонт частиц \(d_p \approx ct\) превышает \(r_s\), регионы причинно разъединяются.
Внутри каждого горизонта наблюдатели измеряют \(c = 3 \times 10^8 \, \text{м/с}\), что соответствует мысленным экспериментам Эйнштейна с поездом и ракетой. Однако глобально скорости удаления превышают \(c\), как в стандартной космологии. Я параметризую это следующим образом:
\[ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, \]
что не подразумевает буквального изменения \(c\), а кодирует его локальность. Таким образом, \(c\) остается инвариантным для любого наблюдателя внутри его причинного горизонта, тогда как глобальное сверхсветовое расширение отражает разъединение, а не нарушение теории относительности.
В \(\Lambda\)CDM энергия фотонов уменьшается по мере растяжения длин волн:
\[ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. \]
Кажущаяся потеря энергии приписывается расширению, без глобального закона сохранения.
Моя модель решает этот парадокс: энергия, потерянная из-за красного смещения, поглощается на причинных горизонтах и перераспределяется в давление излучения, эффективно выполняя работу над метрикой:
\[ \Delta E_{\text{красное смещение}} \;\rightarrow\; \Delta P_{\text{излучение}} \cdot V. \]
Принцип эквивалентности Эйнштейна отождествляет гравитацию с ускорением. Это дает конкретный способ рассматривать красное смещение не как уничтожение энергии, а как ее преобразование в кинетическую работу.
Мысленный эксперимент: Представьте синий лазер, направленный вверх с поверхности планеты. Фотоны поднимаются из гравитационного потенциала и приходят к отдаленному наблюдателю с красным смещением. Для наблюдателя каждый фотон кажется менее энергичным. Однако лазер в источнике испытал полную массу-энергию испущенных фотонов: он передал импульс, соответствующий их энергии без смещения и давлению излучения.
Куда делась «потерянная» энергия? Она была вложена в гравитационное поле, выполняя работу, необходимую для поднятия фотонов из потенциальной ямы.
По аналогии, в космологии фотоны, испущенные в ранние времена, теряют энергию из-за космологического красного смещения. Локально область испускания испытывает их полное давление излучения. Но глобально кажущийся дефицит не теряется; он преобразуется в работу над метрикой — конкретно, в ускоренное расширение.
\[ \Delta E_{\text{фотон}} \;=\; W_{\text{расширение}} . \]
Опираясь на эту аналогию, я предлагаю, что причинные горизонты выступают в роли посредников энергии красного смещения:
\[ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{красное смещение}}, \]
модифицируя уравнение ускорения:
\[ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). \]
При \(\Delta P_{\text{красное смещение}} > 0\) расширение ускоряется без обращения к инфлатону.
Для формализации этого механизма требуется:
При \(t \approx 2.6 \times 10^{71} \, t_P\) (13,8 миллиарда лет) температура CMB составляет \(T = 2.7 \, \text{К}\), а давление излучения уменьшилось до \(P \sim 10^{-31} \, \text{Па}\). Тем не менее, тот же механизм, опосредованный горизонтами, сохраняется: энергия красного смещения продолжает подпитывать космическое ускорение, внося вклад в поздние динамики, обычно приписываемые темной энергии (\(\Omega_\Lambda \approx 0.7\)).
Я предлагаю восемь наблюдательных тестов, каждый с уникальными сигнатурами, которые могут отличить эту модель от \(\Lambda\)CDM.
| Характеристика | \(\Lambda\)CDM | Модель, управляемая излучением |
|---|---|---|
| Движущая сила инфляции | Скалярное поле инфлатона | Давление излучения + энергия красного смещения |
| Сохранение энергии | Не определено глобально | Термодинамически обеспечивается через горизонты |
| Скорость света | Глобально инвариантна | Локально инвариантна внутри горизонтов |
| Проблемы горизонта/плоскостности | Решены инфлатоном | Решены излучением + горизонтами |
| Темная энергия | Космологическая константа (\(\Lambda\)) | Продолжение механизма излучение-красное смещение |
| Прогнозы CMB | Стандартный спектр | Усиление мелких масштабов, возможные различия в B-режиме |
| Напряжение Хаббла | Нерешено | Естественное промежуточное \(H_0\) |
| Наблюдательный статус | Поддерживается, но неполный | Согласуется с данными, еще не опровергнута |
Эта модель переосмысливает инфляцию как термодинамический процесс, присущий излучению, без необходимости спекулятивного инфлатона. Она предоставляет механизм сохранения энергии в расширяющемся пространстве-времени и согласовывает локальные постулаты теории относительности с космическими горизонтами.
Остаются проблемы. Точная динамика перераспределения энергии красного смещения требует дальнейшей математической разработки, а численное моделирование модифицированных уравнений Фридмана необходимо. Наблюдательная дифференциация будет зависеть от будущих миссий (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA).
Я представляю космологию, в которой давление излучения, модулируемое причинными горизонтами и энергией красного смещения, управляет как инфляцией, так и текущим расширением. Эта модель исключает необходимость гипотетического инфлатона, восстанавливает термодинамическую согласованность и согласовывает локальную инвариантность \(c\) Эйнштейна с космической сверхсветимостью. Текущие данные совместимы с \(\Lambda\)CDM, но предложенные наблюдательные тесты открывают путь к проверке или опровержению.
[1] Коллаборация Planck, Результаты Planck 2018. VI. Космологические параметры, Astron. Astrophys. 641, A6 (2020). [2] Guth, A. H., Инфляционная Вселенная, Phys. Rev. D 23, 347 (1981). [3] Padmanabhan, T., Термодинамические аспекты гравитации: новые взгляды, Rep. Prog. Phys. 73, 046901 (2010). [4] Коллаборация BICEP2/Keck, Улучшенные ограничения на первичные гравитационные волны, Phys. Rev. Lett. 121, 221301 (2018).