Новая космологическая модель: Инфляция, управляемая излучением, с локальными причинными горизонтами и перераспределением энергии красного смещения 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 ≈ 10²² 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 ΛCDM, но не исключают эту модель, оставляя путь открытым для проверки с помощью будущих высокоточных экспериментов. 1. Введение Стандартная космология ΛCDM описывает горячий Большой взрыв в t = 0, за которым следует краткий период инфляции с t ≈ 10⁻³⁶ с до 10⁻³⁴ с. Эта эпоха управляется скалярным полем «инфлатон», потенциал которого вызывает экспоненциальное расширение (a(t) ∝ e^(Ht)) [1, 2]. Это решает проблемы горизонта и плоскостности и оставляет отпечатки в космическом микроволновом фоне (CMB). Несмотря на успех, ΛCDM 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: 1. Инфлатон не требуется. Само давление излучения, усиленное энергией красного смещения, управляет инфляцией. 2. Сохранение энергии восстановлено. Энергия, потерянная из-за красного смещения, термодинамически перерабатывается в давление излучения, выполняя работу над расширяющейся Вселенной. 3. Локальная инвариантность c. Внутри каждого причинного участка наблюдатели измеряют одинаковую скорость света, что соответствует постулатам Эйнштейна. Глобально сверхсветовое удаление возникает естественным образом из причинного разъединения. 2. Теоретическая основа 2.1 Раннее линейное расширение (t = 0 до t = 10²⁰ t_(P)) В эпоху Планка (t = 1 t_(P) = 5.39 × 10⁻⁴⁴ с), Вселенная расширяется линейно с масштабным фактором a(t) ∝ t. Ее собственный размер составляет R(t) = ct, а плотность энергии находится на планковской шкале: ρ ≈ 5 × 10⁹⁶ кг 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. 2.2 Начало давления излучения (t = 10²⁰ t_(P)) К t ∼ 10²⁰ t_(P) ( ∼ 10⁻³⁶ с), образование частиц порождает фотоны в кварк-глюонной плазме при T ≈ 10²⁸ К. Появляется давление излучения: $$ P = \frac{1}{3}\rho c^2, \qquad \rho = \frac{a T^4}{c^2}, $$ где a = 7.566 × 10⁻¹⁶ Дж м⁻³ К⁻⁴. Это дает P ∼ 10⁹² Па. Хотя это огромно, гравитация все еще доминирует, и расширение остается замедляющимся. 2.3 Причинное разъединение и локальная инвариантность c (t = 10²² t_(P)) При t ≈ 10²² t_(P) ( ∼ 10⁻³⁴ 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) ≈ ct превышает r_(s), регионы причинно разъединяются. Внутри каждого горизонта наблюдатели измеряют c = 3 × 10⁸ 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. 2.4 Перераспределение энергии красного смещения В ΛCDM 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: ΔE_(красное смещение) → ΔP_(излучение) ⋅ V. 2.4.1 Красное смещение как работа над метрикой 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. ΔE_(фотон) = W_(расширение). 2.4.2 Термодинамика горизонтов и механизм перераспределения Опираясь на эту аналогию, я предлагаю, что причинные горизонты выступают в роли посредников энергии красного смещения: 1. Передача энергии. Энергия фотонов уменьшается как E ∝ a⁻¹. Вместо исчезновения эта энергия поглощается на горизонтах частиц или причинных границах, подобных Шварцшильду. 2. Отображение гравитационного красного смещения. Как гравитационное красное смещение передает энергию в поле, так и космологическое красное смещение передает энергию в расширение метрики. 3. Термодинамика горизонтов. Горизонты обладают энтропией (S ∝ A/4) и температурой (Гиббонс-Хокинг). Энергия смещения вносит вклад в энтропию горизонта, и через термодинамическую гравитационную рамку Падманабхана [3] вновь появляется в виде давления, выполняющего работу над расширением. 4. Усиление давления. $$ P = \frac{1}{3}\rho c_{\text{eff}}^2 + \Delta P_{\text{красное смещение}}, $$ модифицируя уравнение ускорения: $$ \frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3P}{c^2}\right). $$ При ΔP_(красное смещение) > 0 расширение ускоряется без обращения к инфлатону. 2.4.3 Формальные соображения Для формализации этого механизма требуется: - Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени для описания взаимодействий фотон-горизонт. - Термодинамика горизонтов (эмерджентная гравитация Падманабхана, энтропия Бекенштейна-Хокинга) для моделирования поглощения и повторного излучения энергии. - Численное моделирование модифицированных динамик Фридмана с ΔP_(красное смещение). 2.5 Современная эпоха При t ≈ 2.6 × 10⁷¹ t_(P) (13,8 миллиарда лет) температура CMB составляет T = 2.7 К, а давление излучения уменьшилось до P ∼ 10⁻³¹ 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 (Ω_(Λ) ≈ 0.7). 3. Концептуальные достижения 1. Инфлатон не требуется. Инфляция возникает естественным образом из давления излучения, усиленного энергией красного смещения, устраняя необходимость в необнаруженном скалярном поле. 2. Сохранение энергии восстановлено. Энергия красного смещения перерабатывается в давление излучения, выравнивая расширение с термодинамическими принципами. 3. Локальная инвариантность c. Постулат Эйнштейна остается в силе внутри причинных участков, тогда как сверхсветовое удаление объясняется разделением горизонтов. 4. Наблюдательные тесты и ожидаемые сигнатуры Я предлагаю восемь наблюдательных тестов, каждый с уникальными сигнатурами, которые могут отличить эту модель от ΛCDM. 4.1 Анизотропии CMB - Тест: Измерение спектра мощности CMB и поляризации в B-режиме с высокой точностью. - Ожидаемая сигнатура: Усиленные мелкомасштабные флуктуации при мультиполях l > 1000, а также обнаруживаемая поляризация B-режима при l < 100 (r ≈ 0.05–0.1). 4.2 Плотность энергии излучения, зависящая от красного смещения - Тест: Наблюдение за масштабированием плотности энергии излучения ρ_(излучение) с красным смещением. - Ожидаемая сигнатура: При z > 1100 ρ_(излучение) должна отклоняться от стандартного масштабирования  ∝ a⁻⁴. 4.3 Фон гравитационных волн (GWB) - Тест: Поиск стохастического фона гравитационных волн из эпохи инфляции. - Ожидаемая сигнатура: Пик при  ∼ 10⁻⁹ Гц с характерной деформацией h_(c) ≈ 10⁻¹⁵. 4.4 Напряжение Хаббла и позднее ускорение - Тест: Измерение постоянной Хаббла H₀ и уравнения состояния темной энергии w. - Ожидаемая сигнатура: H₀ ≈ 70 км/с/Мпк, с w между  − 0.8 и 0 при z < 1. 4.5 Структура на масштабе горизонта - Тест: Картографирование крупномасштабной структуры на 10–100 Мпк. - Ожидаемая сигнатура: Усиленное кластерирование и аномально большие пустоты. 4.6 Смещения спектральных линий - Тест: Анализ спектров с высоким красным смещением. - Ожидаемая сигнатура: Расширение или энергетические сдвиги на 0,1–1% при z > 5. 4.7 Термодинамические сигнатуры горизонтов - Тест: Исследование энтропии и потока на космических горизонтах. - Ожидаемая сигнатура: Рост энтропии горизонта ΔS ∼ 10¹²⁰k_(B). 4.8 Первичный нуклеосинтез - Тест: Измерение содержания легких элементов. - Ожидаемая сигнатура: Увеличение на 1–5% для ⁴He и уменьшение для дейтерия. 5. Сравнение с ΛCDM ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Характеристика ΛCDM 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 (Λ) Продолжение механизма излучение-красное смещение Прогнозы CMB Стандартный спектр Усиление мелких масштабов, возможные различия в B-режиме Напряжение Хаббла Нерешено Естественное промежуточное H₀ Наблюдательный статус Поддерживается, но неполный Согласуется с данными, еще не опровергнута ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6. Обсуждение 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). 7. Заключение 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 ΛCDM, но предложенные наблюдательные тесты открывают путь к проверке или опровержению. Ссылки [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).