8.8 Kosmologi piawai jirim gelap sejuk dan pemalar kosmologi

Laman Utama ／ Bab 8:Teori Rangka Paradigma yang Akan Dicabar oleh Teori Filamen Tenaga

Matlamat tiga langkah
Membantu pembaca memahami mengapa model jirim gelap sejuk dan pemalar kosmologi diangkat lama sebagai kerangka piawai; di mana model ini bertembung dengan kekangan pada pelbagai pemerhatian dan hujah fizikal; serta bagaimana Teori Filamen Tenaga (EFT) menggantikan tiga serangkai “zarah gelap + Λ + pengembangan metrik” dengan bahasa tunggal lautan tenaga dan topografi tensor, sambil menawarkan petunjuk rentas-probe yang boleh diuji.

I. Apakah yang dinyatakan oleh paradigma semasa

1. Dakwaan teras

• Berasaskan prinsip kosmologi kukuh dan geometri latar teori relativiti am.
• Komposisi: jirim gelap sejuk (CDM) memacu pertumbuhan struktur; jirim biasa menerangi objek astrofizik; pemalar kosmologi (Λ) mendorong pecutan lewat.
• Hubungan peralihan merah–jarak dan evolusi kosmos ditentukan oleh faktor skala (pengembangan metrik).
• Segelintir parameter global sudah memadai untuk memadankan puncak akustik Latar Gelombang Mikro Kosmik (CMB), supernova Jenis Ia, Ayunan Akustik Baryon (BAO), pembelauan lemah dan struktur berskala besar.

2. Mengapa ia digemari

• Parameter sedikit tetapi mengikat banyak set data secara erat.
• Kestabilan kejuruteraan: rantaian alat pengiraan dan aliran analisis telah matang.
• Mudah diajar dan disebarkan: jalan cerita jelas dan kos komunikasi rendah.

3. Cara menafsirkannya

• Model ini ialah kerangka fenomenologi peringkat pertama: “Λ” dan “zarah jirim gelap sejuk” yang diandaikan belum disahkan secara mikroskopik. Apabila ketepatan meningkat dan liputan data meluas, model lazimnya bergantung pada maklum balas, sistematik atau darjah kebebasan tambahan untuk mengekalkan keserasian rentas-probe.

II. Kekangan pemerhatian dan perbahasan

1. ‘Ketegangan’ dekat–jauh dan perbezaan jarak–pertumbuhan

• Pelbagai laluan tangga jarak menghasilkan kecerunan global yang berbeza secara sistematik.
• Latar belakang yang disimpulkan daripada probe jarak kerap menunjukkan ketegangan kecil berbanding amplitud/kadar pertumbuhan yang disimpulkan daripada pembelauan lemah, kiraan gugusan dan herotan ruang-peralihan merah.

2. Krisis skala kecil dan ‘terlalu awal, terlalu besar’

• Bilangan satelit, bentuk ketumpatan teras–selubung dan galaksi kerdil sangat padat sering memerlukan maklum balas kuat serta penalaan.
• Kewujudan galaksi bermassa tinggi dan matang pada era awal menekan penjelasan berasaskan kecekapannya.

3. Keanehan sudut besar pada Latar Gelombang Mikro Kosmik dan takrif ‘kekuatan pembelauan’

• Penjajaran multipol rendah, ketidaksimetrian hemisfera dan tompokan sejuk hadir sebagai set.
• Kekuatan pembelauan yang digemari dalam Latar Gelombang Mikro Kosmik tidak selalu sejajar dengan inferens pembelauan lemah/pertumbuhan.

4. Kemewujudan dan kenaturan

• Asal usul mikroskopik pemalar kosmologi sukar dihuraikan secara semula jadi (jurang tenaga vakum, masalah kebetulan).
• Jirim gelap sejuk belum dibuktikan di makmal mahupun melalui pengesanan terus.

Rumusan ringkas
Model ini amat berjaya pada peringkat pertama. Namun, apabila ketergantungan arah/persekitaran, metrik pertumbuhan dan dinamik skala kecil dipertimbangkan serentak, semakin banyak ‘tampalan’ diperlukan untuk menyatukan pelbagai probe.

III. Penyata semula oleh Teori Filamen Tenaga dan perubahan yang dapat dirasai pembaca

Satu ayat ringkasan
Teori Filamen Tenaga menggunakan satu peta asas lautan tenaga dan topografi tensor bagi menggantikan “Λ + zarah jirim gelap sejuk + pengembangan metrik”:

• Peralihan merah berpunca daripada dua kesan tensor sahaja: peralihan merah akibat keupayaan tensor (perbezaan aras dasar antara sumber dan pemerhati) dan peralihan merah sepanjang laluan yang berevolusi (anjakan frekuensi bersih tanpa sebaran yang terkumpul ketika merentas topografi tensor yang berubah).
• Tarikan tambahan datang daripada Graviti Tensor Statistik (STG), bukan daripada perancah zarah gelap.
• Penampakan “pecutan lewat” timbul daripada evolusi perlahan latar tensor yang tertera serentak dalam buku kiraan jarak dan gerakan (rujuk Seksyen 8.5).
• Penyelarasan awal dan pembenihan datang daripada turun perlahan pada keamatan tensor tinggi serta pembekuan terpilih dalam Latar Belakang Tensor (TBN) (rujuk Seksyen 8.3 dan 8.6).

Analogi mudah
Bayangkan alam semesta sebagai permukaan laut yang sedang mengendur:

• Pengenduran itu melicinkan riak dan menala semula keseluruhan sistem dengan lembut (dua jenis peralihan merah tensor).
• Corak permukaan laut (topografi tensor) mengatur himpun-cerai jirim, menyediakan “landasan pandu yang tidak kelihatan” untuk pertumbuhan struktur (Graviti Tensor Statistik).
• Pelbagai pemerhatian sedang “membaca” sisi berbeza daripada peta keupayaan tensor yang sama.

Tiga inti pati penyata semula

1. Entiti lebih sedikit, peta asas yang sama

• Tiada “jirim Λ” atau “zarah jirim gelap sejuk” diperkenalkan.
• Satu peta keupayaan tensor yang sama digunakan untuk menerangkan ukuran jarak, pembelauan, lengkung putaran dan perincian pertumbuhan struktur.

2. Melonggarkan ikatan jarak–pertumbuhan

• Penampakan jarak didominasi oleh jumlah masa dua peralihan merah tensor.
• Penampakan pertumbuhan diubah suai secara lembut oleh Graviti Tensor Statistik.
  → Perbezaan kecil yang boleh dijangka antara inferens jarak dan inferens pertumbuhan dibenarkan, sekali gus meredakan ketegangan sedia ada.

3. Pengimejan baki, bukan penyembunyian baki

• Sisihan kecil yang sehala arah dan mengikut persekitaran tidak disapu ke “baldi ralat”, sebaliknya diserap sebagai piksel topografi tensor pada peta yang sama.
• Jika set data berbeza memerlukan “peta tampalan” masing-masing, penyata semula seragam Teori Filamen Tenaga tidak disokong.

Petunjuk yang boleh diuji (contoh)

• Kekangan tanpa sebaran: anjakan peralihan merah bergerak bersama merentas jalur optik, hampir inframerah dan radio; jika terdapat hanyutan berasaskan warna yang ketara, hal itu tidak memihak kepada peralihan merah sepanjang laluan yang berevolusi.
• Penyelarasan arah pilihan: baki Hubble supernova, beza kecil pembaris Ayunan Akustik Baryon, konvergens pembelauan lemah pada skala besar dan mod multipol rendah Latar Gelombang Mikro Kosmik menunjukkan bias mikro searah.
• Satu peta, banyak kegunaan: peta keupayaan tensor yang sama serentak mengurangkan (i) baki pembelauan Latar Gelombang Mikro Kosmik dan pembelauan lemah; (ii) tarikan pada pinggir luar lengkung putaran dan amplitud pembelauan lemah; (iii) lengahan masa dalam pembelauan kuat bersama baki peralihan merah yang berkaitan.
• Jejak persekitaran: garis pandang yang melalui superstruktur lebih kaya mempamerkan baki jarak dan pembelauan sedikit lebih besar; perbandingan hemisfera menunjukkan perbezaan sub-peratus yang sejajar dengan orientasi peta asas.
• Pemecut awal: kadar kemunculan galaksi padat bermassa besar pada peralihan merah tinggi sepadan dengan amplitud dan tempoh yang disimpulkan bagi turun perlahan pada keamatan tensor tinggi.

Perubahan yang boleh dirasai pembaca

• Aras gagasan: daripada “zarah gelap + Λ + regangan ruang” kepada “satu peta keupayaan tensor + dua peralihan merah tensor + Graviti Tensor Statistik”.
• Aras kaedah: hentikan meratakan baki; bina topografi tensor melalui pengimejan baki dan uji prinsip “satu peta untuk banyak probe”.
• Aras jangkaan: beri tumpuan pada corak kecil sehala arah, berjejak persekitaran serta sifat tanpa sebaran, bukannya mengikat semua data dengan parameter global semata-mata.

Penjelasan ringkas terhadap salah faham lazim

• Adakah Teori Filamen Tenaga menafikan kejayaan model piawai? Tidak. Teori Filamen Tenaga mengekalkan penampakan utama yang sepadan dengan data, namun menghuraikan sebabnya dengan posulat yang lebih sedikit dan satu peta asas.
• Adakah ini sama dengan ‘graviti terubah suai’ atau seumpama MOND? Berbeza. Tarikan tambahan datang daripada Graviti Tensor Statistik, dan ujian terasnya ialah penyatuan rentas-probe pada peta asas yang sama.
• Tanpa pengembangan metrik, bolehkah kita memulihkan hukum Hubble secara hampiran? Boleh. Dua peralihan merah tensor menokok hampir linear pada peralihan merah rendah, lalu memulihkan hubungan yang lazim.
• Tanpa zarah jirim gelap sejuk, bagaimana struktur berskala besar terbentuk? Topografi tensor bersama Graviti Tensor Statistik menyediakan “perancah”, malah menjelaskan penskalaan lengkung putaran dan penentukuran pembelauan.

Ringkasnya
Model piawai ini kekal sebagai kerangka peringkat sifar paling berjaya, memadankan banyak pemerhatian dengan sedikit parameter. Namun, apabila baki berasaskan arah/persekitaran, diagnostik pertumbuhan dan dinamik skala kecil diletakkan sebaris, keperluan tampalan meningkat. Teori Filamen Tenaga menyata semula dengan ontologi yang lebih ringkas dan satu peta keupayaan tensor:

• Penampakan jarak terbit daripada peralihan merah akibat keupayaan tensor dan peralihan merah sepanjang laluan yang berevolusi.
• Tarikan tambahan dibawa oleh Graviti Tensor Statistik.
• Latar Gelombang Mikro Kosmik, pembelauan, lengkung putaran dan pertumbuhan struktur diselaraskan melalui prinsip “satu peta untuk banyak probe”.

Oleh itu, “kosmologi piawai jirim gelap sejuk dan pemalar kosmologi” beralih daripada “penjelasan tunggal” kepada ringkasan peringkat kemunculan yang boleh disatukan dan dinyatakan semula, sekali gus mengurangkan rasa “keperluan” terhadapnya secara semula jadi.