Περιγραφή και προέλευση της Θεωρίας του πληθωρισμού

Θεωρία του πληθωρισμού συγκεντρώνει ιδέες από κβαντική φυσική και σωματιδίων για να εξερευνήσετε τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, ακολουθώντας το μεγάλο κτύπημα. Σύμφωνα με τη θεωρία του πληθωρισμού, το σύμπαν δημιουργήθηκε σε μια ασταθή ενεργειακή κατάσταση, η οποία ανάγκασαν την ταχεία επέκταση του σύμπαντος στις πρώτες στιγμές του. Μια συνέπεια είναι ότι το σύμπαν είναι πολύ μεγαλύτερο από το αναμενόμενο, πολύ μεγαλύτερο από το μέγεθος που μπορούμε να παρατηρήσουμε με τα τηλεσκόπια μας. Μια άλλη συνέπεια είναι ότι αυτή η θεωρία προβλέπει κάποια χαρακτηριστικά - όπως η ομοιόμορφη κατανομή της ενέργειας και η επίπεδη γεωμετρία της spacetime- που δεν εξηγήθηκε προηγουμένως στο πλαίσιο του θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Αναπτύχθηκε το 1980 από τον σωματικό φυσικό Alan Guth, η θεωρία πληθωρισμού σήμερα θεωρείται γενικά ένα ευρέως αποδεκτό στοιχείο του μεγάλου bang θεωρία, παρόλο που οι κεντρικές ιδέες της θεωρίας του Big Bang ήταν καλά εδραιωμένες για χρόνια πριν από την ανάπτυξη του πληθωρισμού θεωρία.

ο θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είχε αποδειχθεί αρκετά επιτυχημένη όλα αυτά τα χρόνια, ειδικά αφού επιβεβαιώθηκε μέσω της ανακάλυψης της ακτινοβολίας κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας (CMB). Παρά τη μεγάλη επιτυχία της θεωρίας για να εξηγήσει τις περισσότερες όψεις του σύμπαντος που είδαμε, υπήρχαν τρία σημαντικά προβλήματα:

• Το πρόβλημα της ομοιογένειας (ή "γιατί το σύμπαν ήταν τόσο απίστευτα ομοιόμορφο μόλις ένα δευτερόλεπτο μετά το μεγάλο κτύπημα;", καθώς η ερώτηση παρουσιάζεται στο Ατελείωτο Σύμπαν: Πέρα από τη Μεγάλη Έκρηξη)
• Το πρόβλημα της επιπεδότητας
• Η προβλεπόμενη υπερπαραγωγή του μαγνητικά μονοπώλια

Το μοντέλο της μεγάλης έκρηξης φάνηκε να προβλέπει ένα καμπύλο σύμπαν στο οποίο η ενέργεια δεν ήταν καθόλου διανεμημένη και στην οποία υπήρχαν πολλά μαγνητικά μονοπώλια, κανένα από τα οποία δεν ταιριάζει με τα στοιχεία.

Ο φυσικός σωματιδίων Alan Guth έμαθε για πρώτη φορά το πρόβλημα της επιπεδότητας σε μια διάλεξη του 1978 στο Πανεπιστήμιο Cornell του Robert Dicke. Κατά τα επόμενα δύο χρόνια, ο Guth εφάρμοσε τις έννοιες της σωματιδιακής φυσικής στην κατάσταση και ανέπτυξε ένα μοντέλο πληθωρισμού του πρώιμου σύμπαντος.

Ο Guth παρουσίασε τα συμπεράσματά του σε μια διάλεξη στις 23 Ιανουαρίου 1980 στο Κέντρο Γραμμικού Επιταχυντή του Στάνφορντ. Η επαναστατική του ιδέα ήταν ότι οι αρχές της κβαντικής φυσικής στην καρδιά της σωματιδιακής φυσικής θα μπορούσαν να εφαρμοστούν στις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του Big Bang. Το σύμπαν θα είχε δημιουργηθεί με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Η θερμοδυναμική υπαγορεύει ότι η πυκνότητα του σύμπαντος θα την ανάγκαζε να επεκταθεί εξαιρετικά γρήγορα.

Για όσους ενδιαφέρονται για περισσότερες λεπτομέρειες, ουσιαστικά το σύμπαν θα είχε δημιουργηθεί σε ένα "ψευδές κενό" με τον μηχανισμό Higgs απενεργοποιημένο (ή, με άλλο τρόπο, μποζόνιο Χιγκς δεν υπήρχαν). Θα είχε περάσει από μια διαδικασία υπερψύξης, αναζητώντας μια σταθερή κατάσταση χαμηλής ενέργειας (ένα «πραγματικό κενό» στο οποίο ο μηχανισμός Higgs ενεργοποιήθηκε), και αυτή η διαδικασία υπερψύξης οδήγησε στην πληθωριστική περίοδο της ταχείας επέκταση.

Πόσο γρήγορα; Το σύμπαν θα είχε διπλασιαστεί σε μέγεθος κάθε 10^-35 δευτερολέπτων. Μέσα σε 10^-30 δευτερόλεπτα, το σύμπαν θα είχε διπλασιαστεί σε μέγεθος 100.000 φορές, κάτι που είναι περισσότερο από αρκετή επέκταση για να εξηγήσει το πρόβλημα της επιπεδότητας. Ακόμα κι αν το σύμπαν είχε καμπυλότητα όταν ξεκίνησε, αυτή η μεγάλη επέκταση θα είχε ως αποτέλεσμα να φαίνεται επίπεδη σήμερα. (Σκεφτείτε ότι το μέγεθος της Γης είναι αρκετά μεγάλο που μας φαίνεται να είναι επίπεδο, παρόλο που γνωρίζουμε ότι η επιφάνεια που στέκουμε είναι η καμπύλη έξω από μια σφαίρα.)

Ομοίως, η ενέργεια κατανέμεται τόσο ομοιόμορφα, διότι όταν ξεκίνησε, είμαστε ένα πολύ μικρό μέρος του σύμπαντος, και αυτό το μέρος της το σύμπαν επεκτάθηκε τόσο γρήγορα ώστε εάν υπήρχαν σημαντικές άνισες κατανομές ενέργειας, θα ήταν πολύ μακριά για μας αντιλαμβάνομαι. Πρόκειται για μια λύση στο πρόβλημα της ομοιογένειας.

Το πρόβλημα με τη θεωρία, όσο μπορούσε να πει ο Guth, ήταν ότι μόλις αρχίσει ο πληθωρισμός, θα συνεχιστεί για πάντα. Δεν φάνηκε να υπάρχει σαφής μηχανισμός τερματισμού.

Επίσης, εάν ο χώρος επεκτεινόταν συνεχώς σε αυτό το ρυθμό, τότε μια προηγούμενη ιδέα για το πρώιμο σύμπαν, που παρουσίασε η Sidney Coleman, δεν θα λειτουργούσε. Ο Coleman είχε προβλέψει ότι οι μεταβάσεις φάσης στο πρώιμο σύμπαν έλαβαν χώρα με τη δημιουργία μικροσκοπικών φυσαλίδων που συνενώθηκαν. Με τον πληθωρισμό στη θέση του, οι μικροσκοπικές φυσαλίδες απομακρύνθηκαν ο ένας από τον άλλο πολύ γρήγορα για να συγχωνευθούν.

Γοητευμένος από την προοπτική, ο Ρώσος φυσικός Andre Linde επιτέθηκε σε αυτό το πρόβλημα και συνειδητοποίησε ότι υπήρχε μια άλλη ερμηνεία που έβλεπε αυτό το πρόβλημα, ενώ από την πλευρά αυτή σιδηρούν παραπέτασμα (αυτό ήταν το 1980, θυμηθείτε) Αντρέας Albrecht και Paul J. Ο Steinhardt πρότεινε μια παρόμοια λύση.

Αυτή η νεώτερη παραλλαγή της θεωρίας είναι αυτή που πραγματικά απέκτησε έλξη σε όλη τη δεκαετία του '80 και τελικά έγινε μέρος της καθιερωμένης θεωρίας του Big Bang.

Η Θεωρία του πληθωρισμού πηγαίνει από πολλά άλλα ονόματα, όπως:

• κοσμολογικό πληθωρισμό
• κοσμικό πληθωρισμό
• πληθωρισμός
• παλιό πληθωρισμό (αρχική έκδοση του Guth για τη θεωρία του 1980)
• νέα θεωρία πληθωρισμού (το όνομα για την έκδοση με το πρόβλημα φυσαλίδων σταθερό)
• αργός ρυθμός πληθωρισμού (το όνομα για την έκδοση με το πρόβλημα φυσαλίδων σταθερό)

Υπάρχουν επίσης δύο στενά συνδεδεμένες παραλλαγές της θεωρίας, χαοτικός πληθωρισμός και αιώνιος πληθωρισμός, οι οποίες έχουν μερικές μικρές διακρίσεις. Σε αυτές τις θεωρίες, ο μηχανισμός πληθωρισμού δεν συνέβη αμέσως μόλις ακολουθούσε το Big Bang, αλλά συνέβαινε επανειλημμένως σε διάφορες περιοχές του διαστήματος όλες τις εποχές. Θέτουν έναν ταχέως πολλαπλασιαστικό αριθμό «συνόλων φυσαλίδων» ως μέρος του multiverse. Μερικοί φυσικοί επισημαίνουν ότι αυτές οι προβλέψεις είναι παρούσες όλα εκδόσεις της θεωρίας πληθωρισμού, οπότε δεν θεωρούν πραγματικά τις διακριτές θεωρίες.

Όντας μια κβαντική θεωρία, υπάρχει μια ερμηνεία πεδίου της θεωρίας του πληθωρισμού. Στην προσέγγιση αυτή, ο μηχανισμός κίνησης είναι ο πεδίο φουσκώματος ή σωματίδιο φουσκώματος.

Σημείωση: Ενώ η έννοια του σκοτεινή ενέργεια στη σύγχρονη κοσμολογική θεωρία επιταχύνει επίσης την επέκταση του σύμπαντος, οι εμπλεκόμενοι μηχανισμοί φαίνεται να είναι πολύ διαφορετικοί από αυτούς που εμπλέκονται στη θεωρία του πληθωρισμού. Ένας τομέας που ενδιαφέρει τους κοσμολόγους είναι οι τρόποι με τους οποίους η θεωρία του πληθωρισμού μπορεί να οδηγήσει σε κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας ή αντίστροφα.