Un nuovo modello cosmologico: Inflazione guidata dalla radiazione con orizzonti causali locali e ridistribuzione dell’energia di redshift Propongo un modello cosmologico in cui l’epoca dell’inflazione è guidata dalla pressione di radiazione anziché da un campo scalare di inflatone. Partendo da un’espansione lineare nell’epoca di Planck, l’universo passa a un’inflazione esponenziale a t ≈ 10²² t_(P) quando lo spazio-tempo si estende oltre gli orizzonti causali, ridefinendo la velocità della luce (c) come parametro localmente invariante. Si ipotizza che l’energia persa a causa del redshift dei fotoni venga ridistribuita nella pressione di radiazione, alimentando così l’inflazione e garantendo la conservazione dell’energia in un universo in espansione. Le patch locali di Minkowski preservano l’invarianza di c, affrontando i problemi dell’orizzonte e della piattezza, conciliando la relatività speciale con la recessione superluminale cosmologica. Sono delineati otto test osservativi, con firme attese nel fondo cosmico a microonde (CMB), nelle onde gravitazionali e nella struttura su larga scala. I dati attuali sono in linea con ΛCDM ma non escludono questo modello, lasciando aperta la strada per una validazione con futuri esperimenti ad alta precisione. 1. Introduzione La cosmologia standard ΛCDM descrive un Big Bang caldo a t = 0, seguito da un breve periodo di inflazione da t ≈ 10⁻³⁶ s a 10⁻³⁴ s. Questa epoca è guidata da un campo scalare “inflatone”, il cui potenziale produce un’espansione esponenziale (a(t) ∝ e^(Ht)) [1, 2]. Questo risolve i problemi dell’orizzonte e della piattezza e lascia impronte nel fondo cosmico a microonde (CMB). Nonostante il suo successo, ΛCDM dipende da ingredienti speculativi: una particella di inflatone non rilevata, paesaggi potenziali finemente regolati e una tolleranza per l’apparente non conservazione dell’energia dovuta al redshift dei fotoni. Introduco un’alternativa guidata dalla radiazione. Il mio modello inizia con un’espansione lineare, passa naturalmente a un’inflazione esponenziale quando i fotoni dominano e gli orizzonti si disconnettono, e continua nell’era di accelerazione moderna. Tre principi centrali distinguono questo quadro: 1. Nessun inflatone richiesto. La pressione di radiazione stessa, potenziata dall’energia del redshift, guida l’inflazione. 2. Conservazione dell’energia ristabilita. L’energia persa a causa del redshift viene riciclata termodinamicamente nella pressione di radiazione, compiendo lavoro sull’universo in espansione. 3. Invarianza locale di c. In ogni patch causale, gli osservatori misurano la stessa velocità della luce, coerente con i postulati di Einstein. Globalmente, la recessione superluminale emerge naturalmente dalla disconnessione causale. 2. Quadro teorico 2.1 Espansione lineare precoce (t = 0 a t = 10²⁰ t_(P)) Nell’epoca di Planck (t = 1 t_(P) = 5.39 × 10⁻⁴⁴ s), l’universo si espande linearmente con un fattore di scala a(t) ∝ t. La sua dimensione propria è R(t) = ct, e la densità di energia è su scala di Planck: ρ ≈ 5 × 10⁹⁶ kg m⁻³. L’equazione di Friedmann governa l’espansione: $$ H^2 = \left(\frac{\dot{a}}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G \rho}{3} - \frac{k c^2}{a^2}, $$ con H = 1/t e curvatura trascurabile. In questa fase, i fotoni sono assenti, quindi la pressione di radiazione non contribuisce ancora. 2.2 Inizio della pressione di radiazione (t = 10²⁰ t_(P)) A t ∼ 10²⁰ t_(P) ( ∼ 10⁻³⁶ s), la formazione di particelle produce fotoni in un plasma quark-gluoni a T ≈ 10²⁸ K. Emerge la pressione di radiazione: $$ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, $$ con a = 7.566 × 10⁻¹⁶ J m⁻³ K⁻⁴. Ciò produce P ∼ 10⁹² Pa. Sebbene enorme, la gravità domina ancora, e l’espansione rimane decelerante. 2.3 Disconnessione causale e invarianza locale di c (t = 10²² t_(P)) A t ≈ 10²² t_(P) ( ∼ 10⁻³⁴ s), il raggio dell’universo supera il suo orizzonte simile a Schwarzschild: $$ r_s = \frac{2GM}{c^2}, \quad M = \rho \cdot \frac{4}{3} \pi R^3, \quad R = ct. $$ Quando l’orizzonte delle particelle d_(p) ≈ ct supera r_(s), le regioni si disconnettono causalmente. All’interno di ogni patch di orizzonte, gli osservatori misurano c = 3 × 10⁸ m/s, coerente con gli esperimenti mentali di Einstein sul treno e sul razzo. Globalmente, tuttavia, le velocità di recessione superano c, come nella cosmologia standard. Parametrizziamo questo come: $$ c_{\text{eff}} = c_0 \left(\frac{a_0}{a}\right)^\beta, \qquad \beta > 0, $$ non implicando una variazione letterale di c, ma codificando la sua località. Pertanto, c rimane invariante per qualsiasi osservatore all’interno del proprio orizzonte causale, mentre l’espansione superluminale globale riflette la disconnessione, non una violazione della relatività. 2.4 Ridistribuzione dell’energia di redshift In ΛCDM, l’energia dei fotoni diminuisce man mano che le lunghezze d’onda si allungano: $$ E = \frac{hc}{\lambda}, \quad \lambda \propto a, \quad E \propto a^{-1}. $$ La perdita apparente di energia è attribuita all’espansione, senza una legge di conservazione globale. Il mio modello risolve questo paradosso: l’energia persa a causa del redshift viene assorbita agli orizzonti causali e ridistribuita nella pressione di radiazione, compiendo effettivamente lavoro sulla metrica: ΔE_(redshift) → ΔP_(radiazione) ⋅ V. 2.4.1 Redshift come lavoro sulla metrica Il principio di equivalenza di Einstein identifica la gravità con l’accelerazione. Questo fornisce un modo concreto per vedere il redshift non come distruzione di energia, ma come sua conversione in lavoro cinetico. Esperimento mentale: Considera un laser blu emesso verso l’alto dalla superficie di un pianeta. I fotoni salgono fuori dal potenziale gravitazionale e arrivano spostati verso il rosso a un osservatore lontano. Per l’osservatore, ogni fotone sembra portare meno energia. Tuttavia, il laser alla fonte ha sperimentato l’intera energia-massa dei fotoni emessi: ha trasferito un momento coerente con la loro energia non spostata e la pressione di radiazione. Dove è finita l’energia “mancante”? È stata investita nel campo gravitazionale, compiendo il lavoro necessario per sollevare i fotoni fuori dal pozzo di potenziale. Per analogia, in cosmologia, i fotoni emessi in tempi precoci perdono energia attraverso il redshift cosmologico. Localmente, la regione emittente sperimenta la loro piena pressione di radiazione. Ma globalmente, il deficit apparente non è perso; è stato convertito in lavoro sulla metrica - specificamente, in un’espansione accelerata. ΔE_(fotone) = W_(espansione). 2.4.2 Termodinamica degli orizzonti e meccanismo di ridistribuzione Basandomi su questa analogia, propongo che gli orizzonti causali agiscano come mediatori dell’energia di redshift: 1. Trasferimento di energia. L’energia dei fotoni diminuisce come E ∝ a⁻¹. Invece di svanire, questa energia viene assorbita agli orizzonti delle particelle o ai confini causali simili a Schwarzschild. 2. Mappatura del redshift gravitazionale. Proprio come il redshift gravitazionale trasferisce energia al campo, il redshift cosmologico trasferisce energia all’espansione della metrica. 3. Termodinamica degli orizzonti. Gli orizzonti possiedono entropia (S ∝ A/4) e temperatura (Gibbons-Hawking). L’energia spostata contribuisce all’entropia dell’orizzonte, e attraverso il quadro della gravità termodinamica di Padmanabhan [3], riemerge come pressione che compie lavoro sull’espansione. 4. Amplificazione della pressione. $$ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{redshift}}, $$ modificando l’equazione di accelerazione: $$ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). $$ Con ΔP_(redshift) > 0, l’espansione accelera senza invocare un inflatone. 2.4.3 Considerazioni formali Per formalizzare questo meccanismo è necessario: - Teoria dei campi quantistici in spazio-tempo curvo per descrivere le interazioni fotone-orizzonte. - Termodinamica degli orizzonti (gravità emergente di Padmanabhan, entropia di Bekenstein-Hawking) per modellare l’assorbimento e la riemissione di energia. - Simulazioni numeriche delle dinamiche di Friedmann modificate con ΔP_(redshift). 2.5 Era moderna A t ≈ 2.6 × 10⁷¹ t_(P) (13,8 miliardi di anni), la temperatura del CMB è T = 2.7 K, e la pressione di radiazione è diminuita a P ∼ 10⁻³¹ Pa. Tuttavia, lo stesso meccanismo mediato dagli orizzonti persiste: l’energia di redshift continua ad alimentare l’accelerazione cosmica, contribuendo alle dinamiche tardive generalmente attribuite all’energia oscura (Ω_(Λ) ≈ 0.7). 3. Avanzamenti concettuali 1. Nessun inflatone richiesto. L’inflazione emerge naturalmente dalla pressione di radiazione potenziata dall’energia di redshift, eliminando la necessità di un campo scalare non rilevato. 2. Conservazione dell’energia ristabilita. L’energia di redshift viene riciclata nella pressione di radiazione, allineando l’espansione con i principi termodinamici. 3. Invarianza locale di c. Il postulato di Einstein rimane valido all’interno delle patch causali, mentre la recessione superluminale è spiegata dalla separazione degli orizzonti. 4. Test osservativi e firme attese Propongo otto test osservativi, ciascuno con firme distinte che potrebbero differenziare questo modello da ΛCDM. 4.1 Anisotropie del CMB - Test: Misurare lo spettro di potenza del CMB e la polarizzazione in modo B con alta precisione. - Firma attesa: Fluttuazioni amplificate su piccola scala a multipoli l > 1000, insieme a una polarizzazione in modo B rilevabile a l < 100 (r ≈ 0.05–0.1). 4.2 Densità di energia di radiazione dipendente dal redshift - Test: Osservare il ridimensionamento della densità di energia di radiazione ρ_(radiazione) con il redshift. - Firma attesa: A z > 1100, ρ_(radiazione) dovrebbe deviare dal ridimensionamento standard  ∝ a⁻⁴. 4.3 Fondo di onde gravitazionali (GWB) - Test: Cercare un fondo di onde gravitazionali stocastico dall’epoca dell’inflazione. - Firma attesa: Un picco a  ∼ 10⁻⁹ Hz, con tensione caratteristica h_(c) ≈ 10⁻¹⁵. 4.4 Tensione di Hubble e accelerazione tardiva - Test: Misurare la costante di Hubble H₀ e l’equazione di stato dell’energia oscura w. - Firma attesa: H₀ ≈ 70 km/s/Mpc, con w tra  − 0.8 e 0 a z < 1. 4.5 Struttura su scala dell’orizzonte - Test: Mappare la struttura su larga scala a 10–100 Mpc. - Firma attesa: Aggregazione amplificata e vuoti anormalmente grandi. 4.6 Spostamenti delle linee spettrali - Test: Analizzare gli spettri ad alto redshift. - Firma attesa: Allargamento o spostamenti energetici dello 0,1–1% a z > 5. 4.7 Firme termodinamiche degli orizzonti - Test: Sondare l’entropia e il flusso agli orizzonti cosmici. - Firma attesa: Crescita dell’entropia dell’orizzonte ΔS ∼ 10¹²⁰k_(B). 4.8 Nucleosintesi primordiale - Test: Misurare le abbondanze degli elementi leggeri. - Firma attesa: Aumento dell’1–5% di ⁴He e diminuzione del deuterio. 5. Confronto con ΛCDM ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Caratteristica ΛCDM Modello guidato dalla radiazione ----------------------------------- ---------------------------- ----------------------------------------------------------------- Motore dell’inflazione Campo scalare di inflatone Pressione di radiazione + energia di redshift Conservazione dell’energia Non definita globalmente Imposta termodinamicamente tramite gli orizzonti Velocità della luce Globalmente invariante Localmente invariante all’interno degli orizzonti Problemi dell’orizzonte/piattezza Risolti dall’inflatone Risolti da radiazione + orizzonti Energia oscura Costante cosmologica (Λ) Continuazione del meccanismo radiazione-redshift Previsioni CMB Spettro standard Amplificazioni su piccola scala, possibili differenze in modo B Tensione di Hubble Non risolta H₀ intermedio naturale Stato osservativo Supportato ma incompleto Coerente con i dati, non ancora falsificato ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6. Discussione Questo quadro riformula l’inflazione come un processo termodinamico intrinseco alla radiazione, senza richiedere un inflatone speculativo. Fornisce un meccanismo per la conservazione dell’energia nello spazio-tempo in espansione e concilia i postulati locali della relatività con gli orizzonti cosmologici. Rimangono delle sfide. La dinamica esatta della ridistribuzione dell’energia di redshift richiede ulteriori sviluppi matematici, e le simulazioni numeriche delle equazioni di Friedmann modificate sono essenziali. La discriminazione osservativa dipenderà da future missioni (CMB-S4, Euclid, LISA, SKA). 7. Conclusione Presento una cosmologia in cui la pressione di radiazione, modulata dagli orizzonti causali e dall’energia di redshift, guida sia l’inflazione che l’espansione attuale. Questo modello elimina la necessità di un inflatone ipotetico, ristabilisce la coerenza termodinamica e concilia l’invarianza locale di c di Einstein con la superluminalità cosmologica. I dati attuali sono compatibili con ΛCDM, ma i test osservativi proposti offrono un percorso per la validazione o la falsificazione. Riferimenti [1] Collaborazione Planck, Planck 2018 Results. VI. Parametri cosmologici, Astron. Astrophys. 641, A6 (2020). [2] Guth, A. H., Universo inflazionario, Phys. Rev. D 23, 347 (1981). [3] Padmanabhan, T., Aspetti termodinamici della gravità: nuove prospettive, Rep. Prog. Phys. 73, 046901 (2010). [4] Collaborazione BICEP2/Keck, Migliori vincoli sulle onde gravitazionali primordiali, Phys. Rev. Lett. 121, 221301 (2018).