Inflācijas teorijas apraksts un izcelsme

Visuma vēstures laika skala.

NASA / WMAP zinātnes komanda

Inflācijas teorija apkopo idejas no kvantu fizika un daļiņu fizika izpētīt Visuma agrīnos mirkļus, sekojot lielajam sprādzienam. Saskaņā ar inflācijas teoriju Visums tika izveidots nestabilā enerģijas stāvoklī, kas piespieda visuma strauju izplešanos tā pirmajos brīžos. Viena no sekām ir tāda, ka Visums ir ievērojami lielāks, nekā paredzēts, daudz lielāks par izmēru, ko mēs varam novērot ar saviem teleskopiem. Citas sekas ir tādas, ka šī teorija paredz dažas pazīmes, piemēram, vienmērīgu enerģijas sadalījumu un plakano ģeometriju. telpas laiks —kas iepriekš netika skaidrots ietvaros lielā sprādziena teorija .

Inflācijas teoriju, ko 1980. gadā izstrādāja daļiņu fiziķis Alans Guts, mūsdienās parasti uzskata par plaši atzītu Lielā sprādziena teorijas sastāvdaļu, lai gan galvenās lielā sprādziena teorijas idejas bija labi izveidotas vairākus gadus pirms inflācijas teorijas izstrādes.

Inflācijas teorijas izcelsme

The lielā sprādziena teorija gadu gaitā ir izrādījies diezgan veiksmīgs, jo īpaši to apstiprināja kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) starojuma atklāšana. Neskatoties uz teorijas lielajiem panākumiem, lai izskaidrotu lielāko daļu Visuma aspektu, ko mēs redzējām, joprojām bija trīs galvenās problēmas:

• Viendabīguma problēma (vai 'Kāpēc Visums bija tik neticami viendabīgs tikai vienu sekundi pēc lielā sprādziena?'; kā jautājums ir uzdots Bezgalīgs Visums: aiz Lielā sprādziena )
• Plakanuma problēma
• Paredzamā pārprodukcija magnētiskie monopoli

Šķita, ka Lielā sprādziena modelis paredzēja izliektu Visumu, kurā enerģija nemaz nebija vienmērīgi sadalīta un kurā bija daudz magnētisko monopolu, no kuriem neviens neatbilda pierādījumiem.

Daļiņu fiziķis Alans Gūts pirmo reizi uzzināja par plakanuma problēmu 1978. gada Roberta Dika lekcijā Kornela universitātē. Nākamo pāris gadu laikā Gūts pielietoja jēdzienus no daļiņu fizikas situācijai un izstrādāja agrīnā Visuma inflācijas modeli.

Gūts iepazīstināja ar saviem atklājumiem 1980. gada 23. janvāra lekcijā Stenfordas Lineārā paātrinātāja centrā. Viņa revolucionārā ideja bija tāda, ka kvantu fizikas principus, kas ir daļiņu fizikas pamatā, varētu piemērot lielā sprādziena radīšanas agrīnajos brīžos. Visums būtu radīts ar augstu enerģijas blīvumu. Termodinamika nosaka, ka Visuma blīvums būtu piespiedis to ārkārtīgi strauji paplašināties.

Tiem, kurus interesē sīkāk, Visums būtībā būtu radīts 'viltus vakuumā' ar izslēgtu Higsa mehānismu (vai, citādi sakot, Higsa bozons neeksistēja). Tas būtu izgājis cauri pārdzesēšanas procesam, meklējot stabilu zemākas enerģijas stāvokli (“īstu vakuumu”, kurā ieslēdzās Higsa mehānisms), un tieši šis pārdzesēšanas process izraisīja straujas paplašināšanās inflācijas periodu.

Cik ātri? Visums būtu dubultojies ik pēc 10^-35sekundes. 10 laikā^-30sekundēs Visums būtu dubultojies 100 000 reižu, kas ir vairāk nekā pietiekams izplešanās, lai izskaidrotu plakanuma problēmu. Pat ja Visumam būtu izliekums, kad tas sākās, tik liela izplešanās dēļ tas šodien izskatītos plakans. (Ņemiet vērā, ka Zeme ir pietiekami liela, lai tā mums liktos plakana, lai gan mēs zinām, ka virsma, uz kuras mēs stāvam, ir izliekta sfēras ārpuse.)

Tāpat enerģija tiek sadalīta tik vienmērīgi, jo, kad tā sākās, mēs bijām ļoti maza daļa no Visuma, un šī Visuma daļa paplašinājās tik ātri, ka, ja būtu kādi būtiski nevienmērīgi enerģijas sadalījumi, tie būtu pārāk tālu. lai mēs uztveram. Tas ir viendabīguma problēmas risinājums.

Teorijas precizēšana

Problēma ar teoriju, cik Gūts varēja pateikt, bija tāda, ka, tiklīdz inflācija sāksies, tā turpināsies mūžīgi. Šķiet, ka nebija skaidra izslēgšanas mehānisma.

Turklāt, ja telpa nepārtraukti paplašinātos šādā ātrumā, tad nedarbotos iepriekšējā ideja par agrīno Visumu, ko prezentēja Sidnijs Kolmans. Kolmans bija paredzējis, ka fāzu pārejas agrīnajā Visumā notika, veidojot sīkus burbuļus, kas saplūst kopā. Kad bija inflācija, sīkie burbuļi pārāk ātri attālinājās viens no otra, lai kādreiz saplūstu.

Izredzes fascinēts, krievu fiziķis Andrē Linde uzbruka šai problēmai un saprata, ka ir cita interpretācija, kas šo problēmu risina. dzelzs priekškars (šie bija 1980. gadi, atcerieties) Andreas Albrecht un Paul J. Steinhardt nāca klajā ar līdzīgu risinājumu.

Šis jaunākais teorijas variants ir tas, kas 80. gados patiešām ieguva vilces spēku un galu galā kļuva par daļu no iedibinātās lielā sprādziena teorijas.

Citi inflācijas teorijas nosaukumi

Inflācijas teorijai ir vairāki citi nosaukumi, tostarp:

• kosmoloģiskā inflācija
• kosmiskā inflācija
• inflācija
• vecā inflācija (Guta teorijas sākotnējā 1980. gada versija)
• jauna inflācijas teorija (nosaukums versijai, kurā ir novērsta burbuļa problēma)
• lēnas tīšanas inflācija (nosaukums versijai, kurā ir novērsta burbuļa problēma)

Ir arī divi cieši saistīti teorijas varianti, haotiska inflācija un mūžīgā inflācija , kam ir dažas nelielas atšķirības. Šajās teorijās inflācijas mehānisms nenotika tikai vienu reizi tūlīt pēc lielā sprādziena, bet drīzāk notiek atkal un atkal dažādos kosmosa reģionos visu laiku. Tie paredz, ka strauji vairojas 'burbuļu Visumu' skaits multiversums . Daži fiziķi norāda, ka šīs prognozes pastāv visi inflācijas teorijas versijas, tāpēc neuzskatiet tās par atšķirīgām teorijām.

Tā kā ir kvantu teorija, inflācijas teorijai ir lauka interpretācija. Šajā pieejā piedziņas mehānisms ir inflācijas lauks vai inflācijas daļiņa .

Piezīme: Kamēr jēdziens tumšā enerģija mūsdienu kosmoloģiskajā teorijā arī paātrina Visuma paplašināšanos, šķiet, ka iesaistītie mehānismi ļoti atšķiras no tiem, kas iesaistīti inflācijas teorijā. Viena no jomām, kas interesē kosmologus, ir veidi, kā inflācijas teorija var radīt ieskatu tumšajā enerģijā vai otrādi.