Popis a pôvod teórie inflácie

Časová os histórie vesmíru.

Vedecký tím NASA / WMAP

Inflačná teória spája nápady z kvantová fyzika a časticová fyzika preskúmať rané okamihy vesmíru po veľkom tresku. Podľa teórie inflácie bol vesmír stvorený v nestabilnom energetickom stave, čo si v prvých momentoch vynútilo rýchlu expanziu vesmíru. Jedným z dôsledkov je, že vesmír je oveľa väčší, než sa očakávalo, oveľa väčší ako veľkosť, ktorú môžeme pozorovať pomocou našich ďalekohľadov. Ďalším dôsledkom je, že táto teória predpovedá niektoré črty – ako napríklad rovnomerné rozloženie energie a plochú geometriu vesmírny čas — čo predtým nebolo vysvetlené v rámci teória veľkého tresku .

Inflačná teória, ktorú v roku 1980 vyvinul časticový fyzik Alan Guth, je dnes všeobecne považovaná za široko akceptovaný komponent teórie veľkého tresku, aj keď ústredné myšlienky teórie veľkého tresku boli dobre zavedené roky pred vývojom teórie inflácie.

Počiatky teórie inflácie

The teória veľkého tresku sa v priebehu rokov ukázal ako celkom úspešný, najmä bol potvrdený objavom žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia (CMB). Napriek veľkému úspechu teórie na vysvetlenie väčšiny aspektov vesmíru, ktoré sme videli, zostali tri hlavné problémy:

• Problém homogenity (alebo: „Prečo bol vesmír tak neuveriteľne jednotný len jednu sekundu po veľkom tresku?;“, ako je táto otázka prezentovaná v Nekonečný vesmír: Beyond the Big Bang )
• Problém rovinnosti
• Predpokladaná nadprodukcia magnetické monopoly

Zdá sa, že model veľkého tresku predpovedal zakrivený vesmír, v ktorom energia nebola rozložená rovnomerne a v ktorom bolo veľa magnetických monopólov, z ktorých žiadny nezodpovedal dôkazom.

Časticový fyzik Alan Guth sa prvýkrát dozvedel o probléme plochosti na prednáške Roberta Dickeho na Cornell University v roku 1978. Počas niekoľkých nasledujúcich rokov Guth aplikoval koncepty z časticovej fyziky na situáciu a vyvinul inflačný model raného vesmíru.

Guth prezentoval svoje zistenia na prednáške 23. januára 1980 v Stanford Linear Accelerator Center. Jeho revolučnou myšlienkou bolo, že princípy kvantovej fyziky v srdci časticovej fyziky by sa dali aplikovať na rané momenty stvorenia veľkého tresku. Vesmír by bol stvorený s vysokou hustotou energie. Termodynamika diktuje, že hustota vesmíru by ho prinútila expandovať extrémne rýchlo.

Pre tých, ktorí sa zaujímajú podrobnejšie, vesmír by bol v podstate vytvorený vo „falošnom vákuu“ s vypnutým Higgsovým mechanizmom (alebo inak povedané, Higgsov bozón neexistovali). Prešiel by procesom podchladenia, hľadaním stabilného stavu s nižšou energiou ('skutočné vákuum', v ktorom sa zapol Higgsov mechanizmus), a práve tento proces podchladenia poháňal inflačné obdobie rýchlej expanzie.

Ako rýchlo? Vesmír by sa zdvojnásobil každých 10^-35sekúnd. Do 10^-30sekúnd by sa veľkosť vesmíru zdvojnásobila 100 000-krát, čo je viac než dostatočné rozšírenie na vysvetlenie problému plochosti. Aj keby bol vesmír pri svojom vzniku zakrivený, taká veľká expanzia by spôsobila, že by sa dnes javil ako plochý. (Uvedomte si, že veľkosť Zeme je dostatočne veľká na to, aby sa nám zdala byť plochá, aj keď vieme, že povrch, na ktorom stojíme, je zakrivená vonkajšia časť gule.)

Podobne je energia distribuovaná tak rovnomerne, pretože keď to začalo, boli sme veľmi malou časťou vesmíru a táto časť vesmíru expandovala tak rýchlo, že ak by existovali nejaké veľké nerovnomerné rozloženia energie, boli by príliš ďaleko. aby sme vnímali. Toto je riešenie problému homogenity.

Zdokonaľovanie teórie

Problém teórie, pokiaľ mohol Guth povedať, bol ten, že keď inflácia začala, bude pokračovať navždy. Zdalo sa, že na mieste nie je žiadny jasný vypínací mechanizmus.

Taktiež, ak by sa vesmír neustále rozširoval týmto tempom, potom by predchádzajúca myšlienka o ranom vesmíre, ktorú predstavil Sidney Coleman, nefungovala. Coleman predpovedal, že fázové prechody v ranom vesmíre sa uskutočňujú vytváraním malých bublín, ktoré sa spájajú. Keď bola inflácia na mieste, drobné bublinky sa od seba vzďaľovali príliš rýchlo na to, aby sa vôbec spojili.

Ruský fyzik Andre Linde, fascinovaný touto perspektívou, zaútočil na tento problém a uvedomil si, že existuje iná interpretácia, ktorá rieši tento problém, zatiaľ čo na tejto strane Železná opona (toto boli 80. roky, pamätajte) Andreas Albrecht a Paul J. Steinhardt prišli s podobným riešením.

Tento novší variant teórie je ten, ktorý sa počas 80. rokov minulého storočia skutočne presadil a nakoniec sa stal súčasťou zavedenej teórie veľkého tresku.

Iné názvy pre teóriu inflácie

Inflačná teória má niekoľko ďalších mien, vrátane:

• kozmologická inflácia
• kozmická inflácia
• inflácie
• stará inflácia (Guthova pôvodná verzia teórie z roku 1980)
• nová teória inflácie (názov verzie s opraveným problémom s bublinami)
• pomalé nafúknutie (názov verzie s opraveným problémom s bublinami)

Existujú tiež dva úzko súvisiace varianty teórie, chaotická inflácia a večná inflácia , ktoré majú niektoré menšie rozdiely. V týchto teóriách sa mechanizmus inflácie nestal len raz bezprostredne po veľkom tresku, ale stále sa deje znova a znova v rôznych oblastiach vesmíru. Predpokladajú rýchlo sa množiaci počet „bublinových vesmírov“ ako súčasť multivesmír . Niektorí fyzici poukazujú na to, že tieto predpovede sú prítomné v všetky verzie teórie inflácie, takže ich v skutočnosti nepovažujte za odlišné teórie.

Keďže ide o kvantovú teóriu, existuje terénna interpretácia teórie inflácie. V tomto prístupe je hnacím mechanizmom nafukovacie pole alebo nafukovacia častica .

Poznámka: Zatiaľ čo koncept temná energia v modernej kozmologickej teórii tiež urýchľuje expanziu vesmíru, zdá sa, že zapojené mechanizmy sú veľmi odlišné od mechanizmov zahrnutých v teórii inflácie. Jednou z oblastí záujmu kozmológov sú spôsoby, akými môže teória inflácie viesť k poznaniu temnej energie alebo naopak.