Opis i geneza teorii inflacji

Teoria inflacji łączy pomysły z Fizyka kwantowa i Fizyka cząsteczek aby zbadać wczesne momenty wszechświata po Wielkim Wybuchu. Zgodnie z teorią inflacji wszechświat został stworzony w niestabilnym stanie energetycznym, co wymusiło szybką ekspansję wszechświata we wczesnych momentach. Jedną z konsekwencji jest to, że wszechświat jest znacznie większy niż się spodziewano, znacznie większy niż rozmiar, który możemy obserwować za pomocą naszych teleskopów. Inną konsekwencją jest to, że teoria ta przewiduje pewne cechy - takie jak równomierny rozkład energii i płaska geometria czas, przestrzeń— Które nie zostały wcześniej wyjaśnione w ramach teoria wielkiego podrywu.

Teoria inflacji, opracowana w 1980 r. Przez fizyka cząstek Alana Gutha, jest dziś powszechnie uważana za powszechnie akceptowany element wielkiego teoria wybuchu, mimo że główne idee teorii wielkiego wybuchu były dobrze ugruntowane przez lata przed rozwojem inflacji teoria.

The teoria wielkiego podrywu przez lata okazał się całkiem udany, zwłaszcza potwierdzony przez odkrycie kosmicznego promieniowania mikrofalowego tła (CMB). Pomimo wielkiego sukcesu teorii w wyjaśnianiu większości aspektów wszechświata, które widzieliśmy, pozostały trzy główne problemy:

• Problem jednorodności (lub „Dlaczego wszechświat był tak niewiarygodnie jednolity zaledwie jedną sekundę po Wielkim Wybuchu ?;”), jak to pytanie przedstawiono w Endless Universe: Beyond the Big Bang)
• Problem płaskości
• Przewidywana nadprodukcja monopole magnetyczne

Model Wielkiego Wybuchu wydawał się przewidywać zakrzywiony wszechświat, w którym energia nie była w ogóle równomiernie rozłożona, i w którym było wiele magnetycznych monopoli, z których żaden nie pasował do dowodów.

Fizyk cząstek Alan Guth po raz pierwszy dowiedział się o problemie płaskości podczas wykładu z 1978 roku na Uniwersytecie Cornell, przeprowadzonego przez Roberta Dicke. W ciągu następnych kilku lat Guth zastosował do sytuacji koncepcje z fizyki cząstek i opracował model inflacyjny wczesnego wszechświata.

Guth przedstawił swoje odkrycia na wykładzie 23 stycznia 1980 r. W Stanford Linear Accelerator Center. Jego rewolucyjna idea polegała na tym, że zasady fizyki kwantowej w centrum fizyki cząstek można zastosować we wczesnych momentach powstania Wielkiego Wybuchu. Wszechświat zostałby stworzony z wysoką gęstością energii. Termodynamika dyktuje, że gęstość wszechświata zmusiłaby go do bardzo szybkiego rozszerzenia.

Dla tych, którzy są zainteresowani bardziej szczegółowo, zasadniczo wszechświat zostałby stworzony w „fałszywej próżni” z wyłączonym mechanizmem Higgsa (lub, inaczej mówiąc, bozon Higgsa nie istniał). Przeszedłby przez proces przechłodzenia, szukając stabilnego stanu niższej energii („prawdziwej próżni”, w której mechanizm Higgsa włączony), i to właśnie ten proces przechłodzenia spowodował gwałtowny wzrost inflacji ekspansja.

Jak szybko Wszechświat podwajałby się co 10^-35 sekundy. W ciągu 10^-30 sekund, wszechświat podwoiłby się 100 000 razy, co jest więcej niż wystarczającą ekspansją, aby wyjaśnić problem płaskości. Nawet jeśli wszechświat miałby krzywiznę, kiedy się zaczął, tak duża ekspansja sprawiłaby, że dziś wydaje się płaski. (Weź pod uwagę, że rozmiar Ziemi jest na tyle duży, że wydaje się nam płaski, nawet jeśli wiemy, że powierzchnia, na której stoimy, jest zakrzywiona na zewnątrz kuli.)

Podobnie energia rozkłada się tak równomiernie, ponieważ kiedy się rozpoczęła, byliśmy bardzo małą częścią wszechświata, a ta część wszechświat rozszerzył się tak szybko, że gdyby wystąpiły jakiekolwiek poważne nierównomierne rozkłady energii, byłyby one zbyt daleko, abyśmy mogli dostrzec. Jest to rozwiązanie problemu homogeniczności.

Problem z teorią, o ile Guth mógł powiedzieć, polegał na tym, że gdy inflacja się zacznie, będzie trwać wiecznie. Wydawało się, że nie ma wyraźnego mechanizmu odcinającego.

Ponadto, gdyby przestrzeń stale się powiększała w tym tempie, wówczas wcześniejsze wyobrażenie o wczesnym wszechświecie, przedstawione przez Sidneya Colemana, nie zadziałałoby. Coleman przewidział, że przemiany fazowe we wczesnym wszechświecie miały miejsce poprzez stworzenie maleńkich bąbelków, które zlewały się razem. Gdy inflacja była na miejscu, małe bąbelki odsuwały się od siebie zbyt szybko, by się zjednoczyć.

Zafascynowany tą perspektywą rosyjski fizyk Andre Linde zaatakował ten problem i zdał sobie sprawę, że istnieje inna interpretacja, która zajęła się tym problemem, podczas gdy po tej stronie Żelazna Kurtyna (pamiętajcie, to były lata 80.) Andreas Albrecht i Paul J. Steinhardt wymyślił podobne rozwiązanie.

Ten nowszy wariant teorii jest tym, który naprawdę zyskał na popularności w latach 80. i ostatecznie stał się częścią ustalonej teorii Wielkiego Wybuchu.

Teoria inflacji ma kilka innych nazw, w tym:

• inflacja kosmologiczna
• kosmiczna inflacja
• inflacja
• stara inflacja (oryginalna wersja teorii Gutha z 1980 r.)
• nowa teoria inflacji (nazwa wersji z problemem pęcherzyków)
• inflacja powolna (nazwa wersji z naprawionym problemem pęcherzyków)

Istnieją również dwa ściśle powiązane warianty teorii, chaotyczna inflacja i wieczna inflacja, które mają niewielkie rozróżnienia. W tych teoriach mechanizm inflacyjny nie pojawił się tylko raz po Wielkim Wybuchu, ale zdarza się cały czas w różnych regionach kosmosu. Stanowią one szybko pomnożącą się liczbę „wszechświatów bąbelkowych” w ramach wieloświatowy. Niektórzy fizycy wskazują, że prognozy te są obecne wszystko wersje teorii inflacji, więc nie uważajcie ich za odrębne teorie.

Jako teoria kwantowa istnieje interpretacja terenowa teorii inflacji. W tym podejściu mechanizmem napędowym jest pole inflaton lub cząsteczka inflatonu.

Uwaga: Podczas gdy koncepcja ciemna energia we współczesnej teorii kosmologicznej przyśpiesza także ekspansję wszechświata, zaangażowane mechanizmy wydają się bardzo różnić od tych związanych z teorią inflacji. Jednym z obszarów zainteresowania kosmologów są sposoby, w jakie teoria inflacji może prowadzić do wglądu w ciemną energię lub odwrotnie.