Suuri pahoittelemme, että meillä ei ole mahdollisuutta kelata aikaa taaksepäin ja nähdä, kuinka maailmankaikkeus kehittyi elämänsä ensimmäisinä minuutteina. Matematiikkaa ja havainnollista tietoa käyttämällä planeetan parhaat mielet rakentavat rohkeimmat mallit. Yksi niistä on kosminen inflaatio.
Inflaatioteoria tai maailmankaikkeuden inflaatiomalli yhdistää kvantfysiikan ja hiukkasfysiikan ideoita tutkimaan maailmankaikkeuden varhaishetkiä heti Ison räjähdyksen jälkeen. Hänen mukaansa maailmankaikkeus muodostui erittäin epävakaassa tilassa, joka provosoi sen nopean laajentumisen jo ensimmäisissä hetkissä. Yksi tämän laajentumisen seurauksista on, että maailmankaikkeus on paljon suurempi kuin alun perin odotettiin ja se ulottuu paljon pidemmälle kuin kaukoputkimme näkevät. Lisäksi tämä teoria ennustaa joitain ominaisuuksia, joita ei selitetä Big Bang -teorian puitteissa, kuten tasaista energian jakautumista ja tasaista avaruus-aika-geometriaa.
Fyysikko Alan Guth kehitti vuonna 1980 inflaatiouniversumin teorian. Nykyään sitä pidetään yleisesti hyväksyttynä osana ison paineen teoriaa, vaikka viimeksi mainitun keski-ajatukset syntyivät paljon aikaisemmin kuin inflaatioteoria oli muotoiltu.
Miten kaikki alkoi
Big Bang -teoria on osoittanut olevansa erittäin menestyvä vuosien mittaan - etenkin kun otetaan huomioon, että se vahvistettiin löytämällä taustasäteily (mikroaaltotausta). Huolimatta tämän teorian suuresta menestyksestä selittää suurin osa maailmankaikkeudessa havaituista näkökohdista, jäljellä oli kuitenkin kolme ongelmaa:
Big Bang -malli näytti ennustavan kaarevaa maailmankaikkeutta, jossa energia jakautui epätasaisesti ja jossa oli monia magneettisiä monopoleja. Mikään näistä ei kuitenkaan vastannut tietoja.
Alan Guth / Annette Boutellier.
Fyysikko Alan Guth oppi ensin litteysongelmasta Robert Dickin luennossa Cornellin yliopistossa vuonna 1978. Seuraavina vuosina Guth sovelsi käsitteitä hiukkasfysiikasta tähän tilanteeseen ja kehitti varhaisen maailmankaikkeuden inflaatiomallin.
Guth esitti havaintonsa 23. tammikuuta 1980 luennossa SLAC: n kansallisessa kiihdytinlaboratoriossa. Hänen vallankumouksellinen ajatuksensa oli, että kvanttifysiikan periaatteita hiukkasfysiikan ytimestä voitaisiin soveltaa ison räjähdyksen alkuaikoina. Hänen mukaansa maailmankaikkeudella olisi pitänyt olla korkea energiatiheys. Termodynamiikan mukaan maailmankaikkeuden tiheyden olisi pitänyt aiheuttaa sen laajentuminen uskomattoman nopeudella.
Itse asiassa uuden mallin mukaan tuolloin maailmankaikkeuden olisi pitänyt nousta "väärään tyhjiöön" ja ilman Higgs-mekanismia (toisin sanoen Higgsin bosonia ei ollut olemassa). Hänen täytyi käydä läpi hypotermian prosessi, jotta löydetään vakaa alhaisen energian tila ("todellinen tyhjiö", jossa Higgs-mekanismi toimii) - ja se käynnisti nopean laajentumisen ajan.
Kuinka nopea se on? Mallin mukaan maailmankaikkeus kaksinkertaistui 10-35 sekunnin välein. Siten ensimmäisen 10–30 sekunnin aikana ison räjähdyksen jälkeen se olisi kaksinkertaistunut kooltaan 100 tuhatta kertaa, ja tämä on enemmän kuin tarpeeksi selittämään tasoitusongelmaa. Vaikka maailmankaikkeudella olisi jonkin verran kaarevuutta aivan alussa, tämä laajentumisaste johtaisi tosiasiaan, että tänään kaikki näyttäisi tasaiselta. (Huomaa, että Maa on riittävän suuri, jotta se näyttää meille tasaiselta, vaikka tiedämmekin, että seisomme pinta on kaareva muodostamaan pallomainen esine.)
Inflaatiovaiheessa tapahtuvat kvanttivaihtelut todellakin ulottuvat maailmankaikkeuden poikki. Inflaatio johtaa sen laaja-alaiseen ilmentymiseen siihen tosiseikkaan, että maailmankaikkeus tulee tasaiseksi ja menettää aikaisen kaarevuutensa / E. Siegel / Galaktian ulkopuolella.
Lisäksi energia jakautuu niin tasaisesti johtuen siitä, että olimme alussa hyvin pieni osa maailmankaikkeutta, joka laajentui niin nopeasti, että vaikka energian jakautumisessa olisi merkittäviä epäsäännöllisyyksiä, ne olisivat liian kaukana meistä meille olisi voinut huomata tai tuntea heidät. Tämä puolestaan toimii ratkaisuna homogeenisuusongelmaan.
Teorian kehitys
Alan Guthin itsensä mukaan teorian ongelmana oli, että inflaation alkaessa sen pitäisi jatkua loputtomiin. Tutkijat eivät ole nähneet vinkkejä mistään erillisestä mekanismista tämän prosessin "sammuttamiseksi".
Lisäksi, jos avaruus kasvaa jatkuvasti tällä nopeudella, Sidney Colemanin aiemmin ilmaisema ajatus ei olisi toiminut. Coleman ennusti, että varhaisessa universumissa vaihemuutosten aikana muodostui pieniä kuplia, jotka sulautuivat toisiinsa. Inflaation ollessa kuplat liikkuvat toisistaan liian nopeasti, ilman aikaa yhdistyä.
Neuvostoliiton fyysikko Andrei Linde kiinnitti huomiota tähän ongelmaan. Hän tutki sitä ja totesi, että on olemassa toinenkin tulkinta, joka tarjoaa ratkaisun tähän ongelmaan. Samaan aikaan - se oli vielä 1980-luku - rautaesiripun toisella puolella Andreas Albrecht ja Paul Steinhardt tekivät samanlaisen päätöksen yksin.
Andrey Linde / LA Cicero.
Asia on se, että alkuperäisessä Guth-mallissa annettiin syntyä useampi kuin yksi inflaatioalue, joka puolestaan voisi törmätä. Tässä tapauksessa tuloksena oli epäjärjestystila, jossa säteilyllä ja aineella on epähomogeeninen tiheys. Tämä ei ollut ollenkaan yhdenmukaista todellisuuden kanssa havaitun kanssa. Linde, Albrecht ja Steinhardt muuttivat skalaarikenttäyhtälön - ja kaikki oli järkevää. Tämän ratkaisun mukaan havaittavissa oleva maailmankaikkeus sai alkunsa yhdestä tyhjökuplasta, joka erottui muista avaruuden inflaatioalueista. Kyse on käsittämättömistä - kaikkien standardien mukaan - valtavista etäisyyksistä.
Tällainen erilainen inflaation teoria
Inflaatioteorialla on useita nimiä. Esimerkiksi kosmologinen inflaatio, kosminen inflaatio, inflaatio, vanha inflaatio (kuten Alan Guthin teorian alkuperäistä versiota kutsutaan), uusi inflaation teoria (Linden, Albrechtin ja Steinhardtin kehittämä malli).
Teoriasta on myös kaksi läheistä versiota: infuusion kaoottinen teoria ja ikuinen inflaatio. Näissä teorioissa inflaatiomekanismia ei tapahtunut vain kerran - heti Ison iskun jälkeen - vaan se tapahtuu uudestaan ja uudestaan eri avaruusalueilla. Nämä mallit edellyttävät nopeasti kasvavaa määrää "kuplauniversioita", jotka ovat osa Multiversea tai Multiversea. Jotkut fyysikot huomauttavat, että nämä ennusteet ovat läsnä kaikissa maailmankaikkeuden inflaatiomallin versioissa, eivätkä siksi pidä niitä erilaisina teorioina.
Vladimir Guillen