Opis in izvor teorije inflacije

Časovni trak zgodovine vesolja.

Znanstvena ekipa NASA/WMAP

Teorija inflacije združuje ideje iz kvantna fizika in fizika delcev raziskovati zgodnje trenutke vesolja po velikem poku. Po teoriji inflacije je bilo vesolje ustvarjeno v nestabilnem energijskem stanju, zaradi česar se je vesolje v njegovih zgodnjih trenutkih hitro širilo. Ena od posledic je, da je vesolje veliko večje od pričakovanega, veliko večje od velikosti, ki jo lahko opazujemo z našimi teleskopi. Druga posledica je, da ta teorija napoveduje nekatere lastnosti, kot sta enakomerna porazdelitev energije in ravna geometrija prostor-čas — kar ni bilo predhodno pojasnjeno v okviru teorija velikega poka .

Teorija inflacije, ki jo je leta 1980 razvil fizik delcev Alan Guth, danes na splošno velja za splošno sprejeto komponento teorije velikega poka, čeprav so bile osrednje ideje teorije velikega poka dobro uveljavljene leta pred razvojem teorije inflacije.

Izvori teorije inflacije

The teorija velikega poka se je v preteklih letih izkazalo za precej uspešno, še posebej, ko je bilo potrjeno z odkritjem sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB). Kljub velikemu uspehu teorije pri razlagi večine vidikov vesolja, ki smo jih videli, ostajajo trije veliki problemi:

• Problem homogenosti (ali: 'Zakaj je bilo vesolje tako neverjetno enotno samo eno sekundo po velikem poku?', kot je vprašanje predstavljeno v Neskončno vesolje: Onkraj velikega poka )
• Problem ravnosti
• Napovedana prekomerna proizvodnja magnetni monopoli

Zdelo se je, da model velikega poka napoveduje ukrivljeno vesolje, v katerem energija sploh ni bila porazdeljena enakomerno in v katerem je bilo veliko magnetnih monopolov, od katerih se noben ni ujemal z dokazi.

Fizik delcev Alan Guth je prvič izvedel za problem ravnosti leta 1978 na predavanju Roberta Dickeja na univerzi Cornell. V naslednjih nekaj letih je Guth na situacijo uporabil koncepte iz fizike delcev in razvil inflacijski model zgodnjega vesolja.

Guth je svoje ugotovitve predstavil na predavanju 23. januarja 1980 v Stanford Linear Accelerator Center. Njegova revolucionarna ideja je bila, da bi načela kvantne fizike v središču fizike delcev lahko uporabili v zgodnjih trenutkih nastanka velikega poka. Vesolje bi bilo ustvarjeno z visoko energijsko gostoto. Termodinamika narekuje, da bi ga gostota vesolja prisilila v izjemno hitro širjenje.

Za tiste, ki jih zanima več podrobnosti, bi bilo vesolje v bistvu ustvarjeno v 'lažnem vakuumu' z izklopljenim Higgsovim mehanizmom (ali, drugače povedano, Higgsov bozon ni obstajal). Šlo bi skozi proces podhlajevanja in iskanje stabilnega nizkoenergetskega stanja ('pravi vakuum', v katerem se je vklopil Higgsov mehanizem), in prav ta proces podhlajevanja je povzročil inflacijsko obdobje hitre ekspanzije.

Kako hitro? Vesolje bi se podvojilo vsakih 10^-35sekund. V 10^-30sekundah, bi se vesolje podvojilo v velikosti 100.000-krat, kar je več kot zadostna širitev, da pojasni problem ravnosti. Tudi če bi imelo vesolje ukrivljenost, ko se je začelo, bi tolikšno širjenje povzročilo, da bi bilo danes videti ravno. (Upoštevajte, da je velikost Zemlje dovolj velika, da se nam zdi ravna, čeprav vemo, da je površina, na kateri stojimo, ukrivljena zunaj krogle.)

Podobno je energija porazdeljena tako enakomerno, ker smo bili, ko se je začelo, zelo majhen del vesolja in ta del vesolja se je tako hitro širil, da če bi prišlo do večjih neenakomernih porazdelitev energije, bi bile predaleč da zaznamo. To je rešitev problema homogenosti.

Izpopolnitev teorije

Težava s teorijo, kolikor je lahko ugotovil Guth, je bila, da ko se bo inflacija začela, bo trajala večno. Zdelo se je, da ni jasnega mehanizma za izklop.

Poleg tega, če bi se prostor nenehno širil s to hitrostjo, prejšnja ideja o zgodnjem vesolju, ki jo je predstavil Sidney Coleman, ne bi delovala. Coleman je napovedal, da so se fazni prehodi v zgodnjem vesolju zgodili z ustvarjanjem drobnih mehurčkov, ki so se združili. Ob napihovanju so se drobni mehurčki prehitro oddaljevali drug od drugega, da bi se kdaj združili.

Ruski fizik Andre Linde, očaran nad možnostjo, je napadel ta problem in ugotovil, da obstaja druga interpretacija, ki je poskrbela za ta problem, medtem ko je na tej strani Železna zavesa (to so bila leta 1980, spomnite se) Andreas Albrecht in Paul J. Steinhardt sta se domislila podobne rešitve.

Ta novejša različica teorije je tista, ki se je v osemdesetih letih prejšnjega stoletja resnično uveljavila in sčasoma postala del uveljavljene teorije velikega poka.

Druga imena za teorijo inflacije

Teorija inflacije ima več drugih imen, vključno z:

• kozmološka inflacija
• kozmična inflacija
• inflacija
• stara inflacija (Guthova prvotna različica teorije iz leta 1980)
• nova teorija inflacije (ime za različico z odpravljeno težavo z mehurčki)
• slow-roll inflation (ime za različico z odpravljeno težavo z mehurčki)

Obstajata tudi dve tesno povezani različici teorije, kaotično inflacijo in večna inflacija , ki imajo nekaj manjših razlik. V teh teorijah se inflacijski mehanizem ni zgodil samo enkrat takoj po velikem poku, temveč se vedno znova dogaja v različnih delih vesolja. Predstavljajo hitro rastoče število 'mehurčkov' kot del multiverse . Nekateri fiziki poudarjajo, da so te napovedi prisotne v vse različice teorije inflacije, zato jih res ne imejte za različne teorije.

Ker gre za kvantno teorijo, obstaja terenska interpretacija teorije inflacije. Pri tem pristopu je pogonski mehanizem inflatonsko polje oz napihnjen delec .

Opomba: Medtem ko je koncept temna energija v sodobni kozmološki teoriji tudi pospešuje širjenje vesolja, se zdi, da so vpleteni mehanizmi zelo drugačni od tistih v teoriji inflacije. Eno od področij, ki zanimajo kozmologe, so načini, na katere lahko teorija inflacije vodi do vpogleda v temno energijo ali obratno.