Теория инфляции объединяет идеи из квантовой физики и физики элементарных частиц для изучения ранних моментов развития Вселенной после Большого взрыва. Согласно теории инфляции, Вселенная была создана в нестабильном энергетическом состоянии, что привело к быстрому расширению Вселенной в первые моменты ее существования. Одним из следствий этого является то, что Вселенная намного больше, чем предполагалось, намного больше, чем размер, который мы можем наблюдать с помощью наших телескопов. Другое следствие состоит в том, что эта теория предсказывает некоторые черты, такие как равномерное распределение энергии и плоская геометрия пространства-времени, которые ранее не объяснялись в рамках теории большого взрыва.
Разработанная в 1980 году физиком элементарных частиц Аланом Гутом, теория инфляции сегодня обычно считается широко признанным компонентом теории большого взрыва, хотя центральные идеи теории большого взрыва были прочно закреплены за годы до развитие теории инфляции.
Истоки теории инфляции
Теория большого взрыва оказалась весьма успешной на протяжении многих лет, особенно были подтверждены открытием космического микроволнового фонового излучения (CMB). Несмотря на большой успех теории в объяснении большинства аспектов Вселенной, которые мы видели, оставались три основные проблемы:
- Однородность проблема (или “Почему Вселенная была такой невероятно однородной всего через одну секунду после Большого взрыва ?;”, как вопрос представлен в Бесконечная Вселенная: После Большого Взрыва )
- Проблема плоскостности
- Прогнозируемое перепроизводство магнитных монополей
Модель большого взрыва казалась предсказать искривленную Вселенную, в которой энергия распределена неравномерно и в которой было много магнитных монополей, ни один из которых не соответствовал свидетельствам.
Физик элементарных частиц Алан Гут впервые узнал о проблеме плоскостности в 1978 году в лекции Роберта Дике в Корнельском университете. В течение следующих двух лет Гут применил концепции физики элементарных частиц к ситуации и разработал модель инфляции ранней Вселенной.
Гут представил свои выводы на конференции. 23 января 1980 г. лекция в Стэнфордском центре линейных ускорителей. Его революционная идея заключалась в том, что принципы квантовой физики, лежащие в основе физики элементарных частиц, могут быть применены к ранним моментам создания Большого взрыва. Вселенная была бы создана с высокой плотностью энергии. Термодинамика диктует, что плотность Вселенной вынудила бы ее чрезвычайно быстро расширяться.
Для тех, кто интересуется более подробностями, по сути, Вселенная была бы созданный в «ложном вакууме» с выключенным механизмом Хиггса (или, другими словами, бозона Хиггса не существовало). Он прошел бы через процесс переохлаждения, ища стабильное состояние с более низкой энергией («настоящий вакуум», в котором включился механизм Хиггса), и именно этот процесс переохлаждения стал причиной инфляционного периода быстрого расширения. p>
Как быстро? Вселенная увеличивалась бы вдвое каждые 10 -35 секунд. За 10 -30 секунд Вселенная увеличилась бы вдвое в 100 000 раз, что более чем достаточно, чтобы объяснить проблему плоскостности. Даже если бы Вселенная имела кривизну в начале своего существования, такое расширение сделало бы ее сегодня плоской. (Учтите, что размер Земли достаточно велик, что нам кажется, что она плоская, даже если мы знаем, что поверхность, на которой мы стоим, изогнута вне сферы.)
Точно так же энергия распределяется так равномерно, потому что, когда это началось, мы были очень маленькой частью Вселенной, и эта часть Вселенной расширялась так быстро, что если бы было какое-либо существенное неравномерное распределение энергии, они будут слишком далеко, чтобы мы их заметили. Это решение проблемы однородности.
Уточнение теории
Проблема с теорией, насколько мог Гут Скажите, если инфляция началась, она будет продолжаться вечно. Казалось, что не существует четкого механизма отключения.
Кроме того, если пространство постоянно расширялось с такой скоростью, то это было предыдущее представление о ранней Вселенной , представленный Сидни Коулманом, не сработает. Коулман предсказал, что фазовые переходы в ранней Вселенной происходили путем создания крошечных пузырьков, которые сливались вместе. При инфляции крошечные пузыри удалялись друг от друга слишком быстро, чтобы когда-либо слиться.
Очарованный перспективой, русский физик Андре Линде напал на это. и понял, что существует другая интерпретация, которая решает эту проблему, в то время как по эту сторону железного занавеса (это были 1980-е годы, помните) Андреас Альбрехт и Пол Дж. Стейнхардт придумали аналогичное решение.
Этот новый вариант теории действительно получил распространение в 1980-х годах и в конечном итоге стал частью устоявшейся теории большого взрыва.
Другие названия теории инфляции
Теория инфляции имеет несколько других названий, в том числе:
- космологическая инфляция
- космическая инфляция
- инфляция
- старая инфляция (оригинальная версия теории Гута 1980 года)
- новая теория инфляции (название версии с исправленной проблемой пузырей)
- slow- роликовая инфляция (название версии с исправленной проблемой пузырей)
Есть также два тесно связанных варианта теории, хаотическая инфляция и вечная инфляция , которые имеют некоторые незначительные различия. В этих теориях механизм инфляции не возникает сразу после Большого взрыва, а, скорее, повторяется снова и снова в разных областях пространства все время. Они полагают, что быстро увеличивающееся число «пузырьковых вселенных» является частью мультивселенной. Некоторые физики отмечают, что эти предсказания присутствуют во всех версиях теории инфляции, поэтому на самом деле не рассматривайте их как отдельные теории.
Будучи квантовой теорией, существует полевая интерпретация теории инфляции. В этом подходе движущим механизмом является инфлатонное поле или инфлатонная частица .
Примечание. Хотя концепция темной энергии в современной космологической теории также ускоряет расширение Вселенной, задействованные механизмы, по-видимому, сильно отличаются от тех, которые используются в теории инфляции. Одной из областей, интересующих космологов, является то, каким образом теория инфляции может привести к пониманию темной энергии и наоборот.