Описание и произход на теорията за инфлацията

Теория за инфлацията обединява идеи от квантова физика и физика на частиците да изследва ранните моменти на Вселената, следвайки големия взрив. Според теорията за инфлацията, Вселената е създадена в нестабилно енергийно състояние, което принуждава бързо разширяване на Вселената в нейните ранни моменти. Едно от последствията е, че Вселената е значително по-голяма от очакваната, далеч по-голяма от размера, който можем да наблюдаваме с нашите телескопи. Друго следствие е, че тази теория предсказва някои черти - като равномерното разпределение на енергията и плоската геометрия на космическо време—Което не е било обяснено по-рано в рамките на теория за Големия взрив.

Разработена през 1980 г. от физика на частиците Алън Гут, теорията за инфлацията днес по принцип се счита за широко приет компонент на голямото теория на бретона, въпреки че централните идеи на теорията за големия взрив са били добре установени години наред преди развитието на инфлацията теория.

Най- теория за Големия взрив се оказа доста успешен през годините, особено беше потвърден чрез откриването на космическия микровълнов фон (CMB) излъчване. Въпреки големия успех на теорията да обясни повечето аспекти на Вселената, които видяхме, останаха три основни проблема:

• Проблемът с хомогенността (или: „Защо вселената беше толкова невероятна еднаква само една секунда след големия взрив ?;“), тъй като въпросът е представен в Безкрайна Вселена: Отвъд Големия взрив)
• Проблемът с плоскостта
• Прогнозираното свръхпроизводство на магнитни монополи

Моделът с големия взрив изглежда предсказваше извита вселена, в която енергията не се разпределя равномерно и в която имаше много магнитни монополи, нито един от които не съответства на доказателствата.

Физикът на частиците Алън Гут за първи път научи за проблема с плоскостта в лекция от 1978 г. в университета Корнел от Робърт Дике. През следващите няколко години Гут прилага концепции от физиката на частиците към ситуацията и разработва инфлационен модел на ранната Вселена.

Гут представи своите открития на лекция на 23 януари 1980 г. в Центъра за линейни акселератори в Станфорд. Революционната му идея беше, че принципите на квантовата физика в основата на физиката на частиците могат да бъдат приложени в ранните моменти на създаването на големия взрив. Вселената би била създадена с висока енергийна плътност. Термодинамиката диктува, че плътността на Вселената би я принудила да се разширява изключително бързо.

За тези, които се интересуват от повече подробности, по същество Вселената би била създадена във "фалшив вакуум" с изключен механизъм на Хигс (или, казано по друг начин, Хигс бозон не съществува). Щеше да премине през процес на преохлаждане, търсене на стабилно състояние с по-ниска енергия („истински вакуум“, в който механизмът на Хигс се включи) и именно този процес на преохлаждане задействаше инфлационния период на бързо разширяване.

Колко бързо? Вселената щеше да се удвои по размер на всеки 10^-35 секунди. В рамките на 10^-30 секунди, Вселената би се удвоила в размер 100 000 пъти, което е повече от достатъчно разширение, за да обясни проблема с плоскостта. Дори ако вселената е имала кривина при стартирането си, толкова голямо разширение би причинило днес тя да изглежда плоска. (Имайте предвид, че размерът на Земята е достатъчно голям, че ни се струва плосък, въпреки че знаем, че повърхността, на която стоим, е извита извън сферата.)

По същия начин, енергията се разпределя толкова равномерно, защото когато започна, ние бяхме много малка част от Вселената и тази част от Вселената се разширяваше толкова бързо, че ако имаше някакви големи неравномерни разпределения на енергия, те щяха да са твърде далеч за нас възприемаме. Това е решение на проблема с хомогенността.

Проблемът с теорията, доколкото Гют можеше да каже, беше, че щом започне инфлацията, тя ще продължи завинаги. Изглежда нямаше ясен механизъм за затваряне.

Освен това, ако пространството непрекъснато се разширяваше с тази скорост, тогава предишна идея за ранната вселена, представена от Сидни Коулман, нямаше да работи. Коулман беше предсказал, че фазовите преходи в ранната Вселена се осъществяват чрез създаването на малки балончета, които се сляха заедно. С инфлацията на мястото си, малките мехурчета се отдалечаваха един от друг твърде бързо, за да се сближат.

Очарован от перспективата, руският физик Андре Линде атакува този проблем и разбра, че има друга интерпретация, която се грижи за този проблем, докато от тази страна на желязна завеса (това беше осемдесетте години, помнете) Андреас Албрехт и Пол Дж. Щайнхард излезе с подобно решение.

Този по-нов вариант на теорията е този, който наистина придоби сцепление през 80-те години и в крайна сметка стана част от установената теория за големия взрив.

Теорията за инфлацията върви от няколко други имена, включително:

• космологична инфлация
• космическа инфлация
• инфлация
• стара инфлация (оригиналната версия на теорията на Гут от 1980 г.)
• нова теория за инфлацията (името на версията с фиксиран проблем с балона)
• бавна ролка инфлация (името на версията с фиксиран проблем с балона)

Има и два тясно свързани варианта на теорията, хаотична инфлация и вечна инфлация, които имат някои малки разлики. В тези теории механизмът на инфлация не се е случил веднъж веднага след големия взрив, а се случва отново и отново в различни региони на космоса през цялото време. Те представляват бързо умножаващ се брой „балони вселени“ като част от мултивселена. Някои физици посочват, че тези прогнози присъстват в всичко версии на теорията за инфлацията, така че всъщност не ги считайте за различни теории.

Като квантова теория съществува полево тълкуване на теорията за инфлацията. При този подход задвижващият механизъм е инфлатоново поле или частица инфлатон.

Забележка: Докато концепцията за тъмна енергия в съвременната космологична теория също ускорява разширяването на Вселената, включените механизми изглеждат много различни от тези, участващи в теорията за инфлацията. Една област от интерес за космолозите са начините, по които теорията за инфлацията може да доведе до вникване в тъмната енергия или обратно.