Описание и истоки теории инфляции

Теория инфляции объединяет идеи из квантовая физика и физика элементарных частиц исследовать ранние моменты вселенной после большого взрыва. Согласно теории инфляции, вселенная была создана в нестабильном энергетическом состоянии, что вызвало быстрое расширение вселенной в ее ранние моменты. Одним из следствий этого является то, что вселенная намного больше, чем ожидалось, 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 пространство-время- что ранее не было объяснено в рамках теория большого взрыва.

Разработанная в 1980 году физиком-частицей Аланом Гутом, теория инфляции сегодня считается общепризнанным компонентом большого теория взрыва, хотя центральные идеи теории большого взрыва были хорошо известны за годы до развития инфляции теория.

теория большого взрыва с годами оказался довольно успешным, особенно это было подтверждено открытием космического микроволнового фонового (CMB) излучения. Несмотря на большой успех теории, чтобы объяснить большинство аспектов вселенной, которые мы видели, оставалось три главных проблемы:

• Проблема однородности (или «Почему Вселенная была настолько невероятно однородной всего через одну секунду после Большого взрыва?»), Как вопрос представлен в Бесконечная вселенная: за гранью большого взрыва)
• Проблема плоскостности
• Прогнозируемое перепроизводство магнитные монополи

Модель большого взрыва, казалось, предсказывала искривленную вселенную, в которой энергия не была распределена вообще равномерно, и в которой было много магнитных монополей, ни один из которых не соответствовал доказательствам.

Физик элементарных частиц Алан Гут впервые узнал о проблеме плоскостности на лекции Роберта Дикке в Корнелльском университете в 1978 году. В течение следующих нескольких лет Гут применил концепции из физики элементарных частиц к ситуации и разработал инфляционную модель ранней вселенной.

Гут представил свои выводы на лекции 23 января 1980 года 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 заставила бы ее расширяться чрезвычайно быстро.

Для тех, кто интересуется более подробно, по существу, вселенная была бы создана в «ложном вакууме» с отключенным механизмом Хиггса (или, другими словами, бозон Хиггса не существовало) Он прошел бы через процесс переохлаждения, ища стабильное состояние с более низкой энергией («настоящий вакуум», в котором механизм Хиггса включен), и именно этот процесс переохлаждения привел к быстрому инфляционному периоду расширение.

Как быстро? Вселенная удваивалась бы каждые 10^-35 секунд. В течение 10^-30 во-вторых, размер вселенной удвоился бы в 100 000 раз, что более чем достаточно для объяснения проблемы плоскостности. Даже если бы у вселенной была кривизна, когда она началась, такое большое расширение привело бы к тому, что она сегодня выглядит плоской. (Учтите, что размер Земли достаточно велик, чтобы он казался нам плоским, хотя мы знаем, что поверхность, на которой мы стоим, изогнута снаружи сферы.)

Точно так же энергия распределяется так равномерно, потому что когда она начиналась, мы были очень маленькой частью вселенной, и эта часть Вселенная расширилась так быстро, что, если бы были какие-то значительные неравномерное распределение энергии, они были бы слишком далеко, чтобы мы могли воспринимать. Это решение проблемы однородности.

Насколько мог судить Гут, проблема с теорией заключалась в том, что после начала инфляции она будет продолжаться вечно. Казалось, не было четкого механизма отключения на месте.

Кроме того, если бы пространство постоянно расширялось с такой скоростью, то предыдущая идея о ранней вселенной, представленная Сидни Коулманом, не сработала бы. Коулман предсказал, что фазовые переходы в ранней вселенной произошли благодаря созданию крошечных пузырьков, которые соединились вместе. При наличии инфляции крошечные пузырьки удалялись друг от друга слишком быстро, чтобы когда-либо слиться.

Увлеченный перспективой, российский физик Андре Линде атаковал эту проблему и понял, что есть другая интерпретация, которая позаботилась об этой проблеме, в то время как на этой стороне Железный занавес (это были 80-е годы, помните) Андреас Альбрехт и Пол Дж. Штайнхардт придумал похожее решение.

Этот более новый вариант теории является тем, который действительно набирал обороты в течение 1980-х годов и в конечном итоге стал частью установленной теории большого взрыва.

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 пузыря)
• медленная инфляция (название версии с исправленной проблемой пузыря)

Есть также два тесно связанных варианта теории, хаотическая инфляция и вечная инфляция, которые имеют некоторые незначительные различия. В этих теориях инфляционный механизм не просто срабатывал один раз сразу после большого взрыва, а скорее происходил снова и снова в разных областях пространства все время. Они устанавливают быстро увеличивающееся число «пузырьковых вселенных» как часть мультивселенной. Некоторые физики указывают, что эти предсказания присутствуют в все версии теории инфляции, так что на самом деле не рассматривайте их как отдельные теории.

Будучи квантовой теорией, существует полевая интерпретация теории инфляции. В этом подходе приводной механизм является инфлатонное поле или инфлатонная частица.

Замечания: Хотя концепция темная энергия в современной космологической теории также ускоряется расширение вселенной, задействованные механизмы, по-видимому, сильно отличаются от тех, которые задействованы в теории инфляции. Одной из областей, представляющих интерес для космологов, являются способы, которыми теория инфляции может привести к пониманию темной энергии или наоборот.