Til vår store beklagelse har vi ikke muligheten til å spole tilbake tiden og se hvordan universet utviklet seg i de første minuttene av livet. Ved hjelp av matematikk og observasjonsdata bygger de beste sinnene på planeten de mest vågale modellene. En av dem er kosmisk inflasjon.
Inflasjonsteorien, eller inflasjonsmodellen til universet, kombinerer ideer fra kvantefysikk og partikkelfysikk for å utforske universets tidlige øyeblikk like etter Big Bang. I følge henne ble universet dannet i en veldig ustabil tilstand, noe som provoserte den raske ekspansjonen i de aller første øyeblikkene. En av konsekvensene av denne utvidelsen er at universet er mye større enn opprinnelig antatt, og det strekker seg mye lenger enn teleskopene våre kan se. I tillegg forutsier denne teorien noen egenskaper som ikke er forklart i rammen av Big Bang-teorien, for eksempel enhetlig energifordeling og flat tid-tidsgeometri.
Teorien om et inflasjonsunivers ble utviklet av fysikeren Alan Guth i 1980. I dag regnes det som en allment akseptert del av Big Bang-teorien, selv om de sentrale ideene til sistnevnte ble etablert mye tidligere enn inflasjonsteorien ble formulert.
Hvordan det hele startet
Big Bang-teorien har vist seg å være veldig vellykket gjennom årene - spesielt gitt at den ble bekreftet gjennom oppdagelsen av bakgrunnsstrålingen (mikrobølgeovnbakgrunn). Til tross for denne teoriens store suksess med å forklare de fleste aspektene som er observert i universet, gjensto imidlertid tre problemer:
Big Bang-modellen så ut til å forutsi et buet univers der energien var ujevnt fordelt og der det var mange magnetiske monopol. Imidlertid stemte ingenting av dette med dataene.
Alan Guth / Annette Boutellier.
Fysikeren Alan Guth lærte først om flathetens problem på et foredrag av Robert Dick ved Cornell University i 1978. I årene som fulgte, anvendte Guth begreper fra partikkelfysikk til denne situasjonen og utviklet en inflasjonsmodell av det tidlige universet.
23. januar 1980 presenterte Guth sine funn i et foredrag på SLAC National Accelerator Laboratory. Hans revolusjonerende idé var at prinsippene for kvantefysikk fra hjertet av partikkelfysikk kunne brukes til de tidlige dagene av Big Bang. Ifølge ham skal universet ha hatt en høy energitetthet. I følge termodynamikk skal universets tetthet ha fått det til å utvide seg med en utrolig hastighet.
Ifølge den nye modellen på den tiden, burde universet faktisk ha oppstått i et "falskt vakuum" og i fravær av Higgs-mekanismen (med andre ord, Higgs-boson eksisterte ikke). Hun måtte gjennom en prosess med hypotermi på jakt etter en stabil lavenergitilstand (det "sanne vakuumet" som Higgs-mekanismen fungerer i) - og det var det som utløste en periode med rask ekspansjon.
Hvor raskt er det? I følge modellen ble universet doblet hvert 10-35 sekund. I løpet av de første 10-30 sekundene etter Big Bang ville den således blitt doblet i størrelse 100 tusen ganger, og dette er mer enn nok til å forklare flatheten. Selv om universet hadde en viss krumning helt i begynnelsen, ville denne grad av utvidelse føre til at alt i dag ville se flatt ut. (Legg merke til at Jorden er stor nok til at den ser flat ut for oss, selv om vi vet at overflaten vi står på er buet til å danne en sfærisk gjenstand.)
Kvantumsvingningene som oppstår under inflasjonen strekker seg faktisk over hele universet. I sin storskala manifestasjon fører inflasjon til at universet blir flatt og mister sin tidlige krumning / E. Siegel / Beyond the Galaxy.
I tillegg distribueres energien så jevnt på grunn av det faktum at vi helt i begynnelsen var en veldig liten del av universet, som utvidet seg så raskt at selv om det var betydelige uregelmessigheter i fordelingen av energi, ville de være for langt fra oss for oss kunne ha lagt merke til eller følt dem. Dette fungerer igjen som en løsning på homogenitetsproblemet.
Utvikling av teori
Ifølge Alan Guth selv, var problemet med teorien at når inflasjonen startet, måtte den fortsette på ubestemt tid. Forskere har ikke sett antydninger til noen distinkt mekanisme for å "slå av" denne prosessen.
I tillegg, hvis rommet stadig utvidet seg med en slik hastighet, ville ideen som Sidney Coleman tidligere hadde uttrykt, ikke fungert. Coleman spådde at små bobler ble dannet under faseoverganger i det tidlige universet, som fusjonerte med hverandre. I nærvær av inflasjon ville boblene bevege seg vekk fra hverandre for raskt, uten å ha tid til å forene seg.
Den sovjetiske fysikeren Andrei Linde gjorde oppmerksom på dette problemet. Han studerte det og fant ut at det er en annen tolkning som gir en løsning på dette problemet. På samme tid - det var fremdeles 1980-tallet - på den andre siden av jernteppet, kom Andreas Albrecht og Paul Steinhardt til en lignende beslutning på egen hånd.
Andrey Linde / LA Cicero.
Poenget er at i den opprinnelige Guth-modellen ble det tillatt å oppstå mer enn ett inflasjonsområde, som igjen kunne kollidere. I dette tilfellet var resultatet et uordnet rom, hvor stråling og materie har en inhomogen tetthet. Dette var slett ikke i samsvar med det som ble observert i virkeligheten. Linde, Albrecht og Steinhardt forandret den skalære feltligningen - og det ga mening. I henhold til denne løsningen, oppsto vårt observerbare univers fra en enkelt vakuumboble, som skilte seg fra andre inflasjonsregioner i verdensrommet. Det handler om ufattelig avstand - av alle standarder - enorme avstander.
En slik annen teori om inflasjon
Inflasjonsteorien har flere navn. For eksempel kosmologisk inflasjon, kosmisk inflasjon, inflasjon, gammel inflasjon (som den opprinnelige versjonen av Alan Guths teori kalles), ny inflasjonsteori (modellen utviklet av Linde, Albrecht og Steinhardt).
Det er også to nære versjoner av teorien: den kaotiske teorien om inflasjon og evig inflasjon. I disse teoriene skjedde ikke bare inflasjonsmekanismen en gang - rett etter Big Bang - men den skjer igjen og igjen i forskjellige romområder. Disse modellene antar et raskt voksende antall "bobleuniverser" som er en del av Multiverse, eller Multiverse. Noen fysikere bemerker at disse spådommene er til stede i alle versjoner av universets inflasjonsmodell, og anser dem derfor ikke for å være forskjellige teorier.
Vladimir Guillen
