Ku naszemu wielkiemu ubolewaniu nie mamy możliwości cofnięcia czasu do tyłu i zobaczenia, jak Wszechświat rozwijał się w pierwszych minutach swojego życia. Korzystając z matematyki i danych obserwacyjnych, najlepsze umysły na świecie budują najbardziej śmiałe modele. Jednym z nich jest kosmiczna inflacja.
Teoria inflacji, czyli inflacyjny model Wszechświata, łączy idee fizyki kwantowej i fizyki cząstek elementarnych w celu zbadania wczesnych chwil wszechświata tuż po Wielkim Wybuchu. Według niej Wszechświat powstał w bardzo niestabilnym stanie, co sprowokowało jego szybką ekspansję w pierwszych chwilach. Jedną z konsekwencji tej ekspansji jest to, że wszechświat jest znacznie większy niż pierwotnie przewidywano i rozciąga się znacznie dalej, niż są w stanie zobaczyć nasze teleskopy. Ponadto teoria ta przewiduje pewne właściwości, które nie są wyjaśnione w ramach teorii Wielkiego Wybuchu, takie jak równomierny rozkład energii i płaska geometria czasoprzestrzeni.
Teoria inflacyjnego wszechświata została opracowana przez fizyka Alana Gutha w 1980 roku. Dziś uważa się ją za ogólnie przyjętą część teorii Wielkiego Wybuchu, mimo że jej główne idee powstały znacznie wcześniej niż sformułowano teorię inflacji.
Jak to się wszystko zaczęło
Teoria Wielkiego Wybuchu okazała się przez lata bardzo skuteczna - w szczególności biorąc pod uwagę, że została potwierdzona przez odkrycie promieniowania tła (tła mikrofalowego). Jednak pomimo wielkiego sukcesu tej teorii w wyjaśnianiu większości aspektów obserwowanych we wszechświecie, pozostały trzy problemy:
Model Wielkiego Wybuchu zdawał się przewidywać zakrzywiony wszechświat, w którym energia była rozkładana nierównomiernie i w którym było wiele magnetycznych monopoli. Jednak żadne z tych danych nie pasowało do danych.
Alan Guth / Annette Boutellier.
Fizyk Alan Guth po raz pierwszy dowiedział się o problemie płaskości na wykładzie Roberta Dicka na Cornell University w 1978 roku. W następnych latach Guth zastosował w tej sytuacji koncepcje z fizyki cząstek elementarnych i opracował inflacyjny model wczesnego Wszechświata.
23 stycznia 1980 roku Guth przedstawił swoje odkrycia na wykładzie w Krajowym Laboratorium Akceleratora SLAC. Jego rewolucyjny pomysł polegał na tym, że zasady fizyki kwantowej pochodzące z samego serca fizyki cząstek elementarnych można zastosować do wczesnych dni Wielkiego Wybuchu. Według niego wszechświat powinien mieć dużą gęstość energii. Zgodnie z termodynamiką gęstość wszechświata powinna spowodować jego ekspansję w niewiarygodnym tempie.
W rzeczywistości, według nowego modelu w tamtym czasie, Wszechświat powinien powstał w „fałszywej próżni” i przy braku mechanizmu Higgsa (innymi słowy, bozon Higgsa nie istniał). Musiała przejść przez proces hipotermii w poszukiwaniu stabilnego stanu o niskiej energii („prawdziwej próżni”, w której działa mechanizm Higgsa) - i to właśnie zapoczątkowało okres gwałtownej ekspansji.
Jak szybko to jest? Zgodnie z modelem Wszechświat podwajał się co 10-35 sekund. Zatem w ciągu pierwszych 10-30 sekund po Wielkim Wybuchu podwoiłby swój rozmiar 100 tysięcy razy, a to więcej niż wystarcza, aby wyjaśnić problem płaskości. Nawet gdyby Wszechświat miał na samym początku jakąś krzywiznę, ten stopień ekspansji prowadziłby do tego, że dzisiaj wszystko wyglądałoby płasko. (Zauważ, że Ziemia jest na tyle duża, że wydaje się nam płaska, chociaż wiemy, że powierzchnia, na której stoimy, jest zakrzywiona, tworząc obiekt kulisty).
Wahania kwantowe, które występują podczas inflacji, rzeczywiście rozciągają się na cały wszechświat. W swojej manifestacji na dużą skalę inflacja prowadzi do tego, że wszechświat staje się płaski i traci swoją wczesną krzywiznę / E. Siegel / Poza galaktyką.
W dodatku energia rozkłada się tak równomiernie ze względu na to, że na samym początku byliśmy bardzo małą częścią Wszechświata, która rozszerzyła się tak gwałtownie, że nawet gdyby wystąpiły znaczące nieprawidłowości w rozkładzie energii, byłyby dla nas za daleko mógł je zauważyć lub poczuć. To z kolei służy jako rozwiązanie problemu jednorodności.
Rozwój teorii
Według samego Alana Gutha problem z tą teorią polegał na tym, że kiedy inflacja się zaczęła, musiałaby trwać w nieskończoność. Naukowcy nie widzieli żadnych śladów jakiegokolwiek wyraźnego mechanizmu „wyłączania” tego procesu.
Ponadto, gdyby przestrzeń stale się rozszerzała w tym tempie, to pomysł wyrażony wcześniej przez Sidneya Colemana nie zadziałałby. Coleman przewidział, że małe bąbelki powstały podczas przemian fazowych we wczesnym wszechświecie, które łączyły się ze sobą. W przypadku inflacji bąbelki zbyt szybko oddalałyby się od siebie, nie mając czasu na połączenie.
Na ten problem zwrócił uwagę radziecki fizyk Andrei Linde. Przestudiował to i odkrył, że istnieje inna interpretacja, która zapewnia rozwiązanie tego problemu. W tym samym czasie - były to jeszcze lata 80. - po drugiej stronie żelaznej kurtyny Andreas Albrecht i Paul Steinhardt sami podjęli podobną decyzję.
Andrey Linde / LA Cicero.
Chodzi o to, że w pierwotnym modelu Gutha pozwolono na powstanie więcej niż jednego obszaru inflacyjnego, który z kolei może się zderzyć. W tym przypadku wynikiem była nieuporządkowana przestrzeń, w której promieniowanie i materia mają niejednorodną gęstość. Nie było to wcale zgodne z tym, co zaobserwowano w rzeczywistości. Linde, Albrecht i Steinhardt zmienili równanie pola skalarnego - i wszystko to miało sens. Zgodnie z tym rozwiązaniem, nasz obserwowalny wszechświat powstał z pojedynczego pęcherzyka próżniowego, który oddzielił się od innych inflacyjnych obszarów przestrzeni. Chodzi o niewyobrażalne - pod każdym względem - ogromne odległości.
Taka inna teoria inflacji
Teoria inflacji ma kilka nazw. Na przykład inflacja kosmologiczna, inflacja kosmiczna, inflacja, stara inflacja (jak nazywa się oryginalna wersja teorii Alana Gutha), nowa teoria inflacji (model opracowany przez Lindego, Albrechta i Steinhardta).
Istnieją również dwie bliskie wersje tej teorii: chaotyczna teoria inflacji i wieczna inflacja. W tych teoriach mechanizm inflacji nie pojawił się tylko raz - zaraz po Wielkim Wybuchu - ale zdarza się raz po raz w różnych rejonach kosmosu. Modele te zakładają szybko rosnącą liczbę „bąbelkowych wszechświatów”, które są częścią Multiverse lub Multiverse. Niektórzy fizycy zauważają, że przewidywania te są obecne we wszystkich wersjach inflacyjnego modelu Wszechświata i dlatego nie uważają ich za różne teorie.
Vladimir Guillen