Infliacijos teorijos aprašymas ir kilmė

Visatos istorijos laiko juosta.

NASA / WMAP mokslo komanda

Infliacijos teorija sujungia idėjas iš Kvantinė fizika ir dalelių fizika ištirti ankstyvąsias visatos akimirkas po Didžiojo sprogimo. Remiantis infliacijos teorija, Visata buvo sukurta nestabilios energijos būsenoje, kuri privertė sparčiai plėstis visata ankstyvaisiais jos momentais. Viena iš pasekmių yra ta, kad visata yra daug didesnė nei tikėtasi, daug didesnė nei dydis, kurį galime stebėti savo teleskopais. Kita pasekmė yra ta, kad ši teorija numato kai kuriuos bruožus, tokius kaip tolygus energijos pasiskirstymas ir plokščia geometrija. kosmoso laikas -kas anksčiau nebuvo paaiškinta Didžiojo sprogimo teorija .

Infliacijos teorija, kurią 1980 m. sukūrė dalelių fizikas Alanas Guthas, šiandien paprastai laikoma plačiai priimta Didžiojo sprogimo teorijos dalimi, nors pagrindinės Didžiojo sprogimo teorijos idėjos buvo nusistovėjusios daugelį metų iki infliacijos teorijos sukūrimo.

Infliacijos teorijos ištakos

The Didžiojo sprogimo teorija per daugelį metų buvo gana sėkmingas, ypač kai tai patvirtino kosminės mikrobangų fono (CMB) spinduliuotės atradimas. Nepaisant didžiulės teorijos sėkmės, paaiškinančios daugumą mūsų matytų visatos aspektų, liko trys pagrindinės problemos:

• Homogeniškumo problema (arba „Kodėl visata buvo tokia neįtikėtinai vienoda praėjus vos vienai sekundei po Didžiojo sprogimo?“, kaip klausimas pateikiamas Begalinė visata: už Didžiojo sprogimo )
• Plokštumo problema
• Prognozuojama perprodukcija magnetinės monopolijos

Atrodė, kad Didžiojo sprogimo modelis numatė išlenktą visatą, kurioje energija pasiskirsto visai netolygiai ir kurioje buvo daug magnetinių monopolių, kurių nė vienas neatitiko įrodymų.

Dalelių fizikas Alanas Guthas pirmą kartą apie plokštumo problemą sužinojo per 1978 m. Roberto Dicke'o paskaitą Kornelio universitete. Per ateinančius porą metų Guthas pritaikė dalelių fizikos koncepcijas situacijai ir sukūrė ankstyvosios visatos infliacijos modelį.

Guthas pristatė savo išvadas 1980 m. sausio 23 d. paskaitoje Stanfordo linijinio greitintuvo centre. Jo revoliucinė idėja buvo ta, kad kvantinės fizikos principus, esančius dalelių fizikos centre, būtų galima pritaikyti ankstyvosioms Didžiojo sprogimo kūrimo akimirkoms. Visata būtų sukurta su dideliu energijos tankiu. Termodinamika diktuoja, kad visatos tankis būtų privertęs ją itin sparčiai plėstis.

Tiems, kurie domisi išsamiau, iš esmės visata būtų sukurta „klaidingame vakuume“, kai Higgso mechanizmas išjungtas (arba, kitaip tariant, Higso bozonas neegzistavo). Jis būtų išgyvenęs peršalimo procesą, ieškant stabilios mažesnės energijos būsenos („tikrasis vakuumas“, kuriame įsijungė Higgso mechanizmas), ir būtent šis peršalimo procesas paskatino infliacinį spartaus plėtimosi laikotarpį.

Kaip greitai? Visata būtų padvigubėjusi kas 10^-35sekundžių. Per 10^-30sekundžių, visata būtų padvigubėjusi 100 000 kartų, o tai yra daugiau nei pakankamai išsiplėtimo, kad paaiškintų plokštumo problemą. Net jei prasidėjus visata būtų išlinkusi, dėl tokio didelio išsiplėtimo ji šiandien atrodytų plokščia. (Apsvarstykite, kad Žemė yra pakankamai didelė, kad ji mums atrodytų plokščia, nors žinome, kad paviršius, ant kurio stovime, yra išlenktas sferos išorėje.)

Panašiai energija pasiskirsto taip tolygiai, nes kai ji prasidėjo, mes buvome labai maža visatos dalis, ir ta visatos dalis taip greitai išsiplėtė, kad jei būtų koks nors didelis netolygus energijos pasiskirstymas, jie būtų per toli. kad mes suvoktume. Tai yra homogeniškumo problemos sprendimas.

Teorijos tobulinimas

Teorijos problema, kiek galėjo pasakyti Guthas, buvo ta, kad prasidėjus infliacijai ji tęsis amžinai. Atrodė, kad nėra jokio aiškaus išjungimo mechanizmo.

Be to, jei erdvė nuolat plečiasi tokiu greičiu, ankstesnė idėja apie ankstyvąją visatą, kurią pateikė Sidney Coleman, neveiks. Colemanas numatė, kad fazių perėjimai ankstyvojoje visatoje įvyko susidarius mažiems burbuliukams, kurie susiliejo. Esant infliacijai, maži burbuliukai per greitai tolsta vienas nuo kito, kad niekada nesusijungtų.

Sužavėtas perspektyvos, rusų fizikas Andre Linde užsipuolė šią problemą ir suprato, kad yra kitas aiškinimas, kuris išsprendžia šią problemą, o kitoje pusėje. Geležinė uždanga (tai buvo 1980-ieji, prisiminkite) Andreas Albrecht ir Paul J. Steinhardt pateikė panašų sprendimą.

Šis naujesnis teorijos variantas yra tas, kuris iš tikrųjų įgijo trauką devintajame dešimtmetyje ir galiausiai tapo nusistovėjusios Didžiojo sprogimo teorijos dalimi.

Kiti infliacijos teorijos pavadinimai

Infliacijos teorija turi keletą kitų pavadinimų, įskaitant:

• kosmologinė infliacija
• kosminė infliacija
• infliacija
• senoji infliacija (pirminė Gutho 1980 m. teorijos versija)
• nauja infliacijos teorija (versijos su ištaisyta burbulo problema pavadinimas)
• lėto rutulio pripūtimas (versijos, kurioje ištaisyta burbulo problema, pavadinimas)

Taip pat yra du glaudžiai susiję teorijos variantai, chaotiška infliacija ir amžina infliacija , kurios turi keletą nedidelių skirtumų. Šiose teorijose infliacijos mechanizmas įvyko ne tik vieną kartą iškart po Didžiojo sprogimo, o veikiau nuolat vyksta įvairiuose erdvės regionuose. Jie pateikia sparčiai besidauginantį „burbulų visatų“ skaičių multivisata . Kai kurie fizikai nurodo, kad šios prognozės egzistuoja visi infliacijos teorijos versijos, todėl tikrai nelaikykite jų atskiromis teorijomis.

Kadangi tai yra kvantinė teorija, yra infliacijos teorijos lauko interpretacija. Taikant šį metodą, vairavimo mechanizmas yra infliacijos laukas arba infliacijos dalelė .

Pastaba: Nors sąvoka tamsioji energija šiuolaikinėje kosmologinėje teorijoje taip pat pagreitina visatos plėtimąsi, atrodo, kad dalyvaujantys mechanizmai labai skiriasi nuo tų, kurie dalyvauja infliacijos teorijoje. Viena iš kosmologų dominančių sričių yra būdai, kuriais infliacijos teorija gali paskatinti įžvalgas apie tamsiąją energiją, arba atvirkščiai.