Teorija inflacije združuje ideje iz kvantna fizika in fizika delcev raziskati zgodnje trenutke vesolja po velikem udaru. Po teoriji inflacije je bilo vesolje ustvarjeno v nestabilnem energijskem stanju, kar je v svojih zgodnjih trenutkih prisililo k hitri širitvi vesolja. Posledica tega je, da je vesolje veliko večje od predvidenega, veliko večje od velikosti, ki jo lahko opazujemo s svojimi teleskopi. Druga posledica je, da ta teorija napoveduje nekatere lastnosti - na primer enakomerno porazdelitev energije in ravno geometrijo vesoljski čas—To prej ni bilo pojasnjeno v okviru teorija velikega poka.
Teorija inflacije, ki jo je leta 1980 razvil fizik delcev Alan Guth, danes na splošno velja za splošno sprejeto komponento velikega teorija banga, čeprav so bile osrednje ideje teorije velikega banga že leta pred razvojem inflacije dobro uveljavljene teorija.
Izvori teorije inflacije
The teorija velikega poka se je v preteklih letih izkazalo za zelo uspešno, še posebej se je potrdilo z odkritjem sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB). Kljub velikemu uspehu teorije za razlago večine vidikov vesolja, ki smo jih videli, so ostali trije večji problemi:
- Problem homogenosti (ali: "Zakaj je bilo vesolje tako neverjetno enotno le sekundo po velikem udarcu?", Kot je predstavljeno vprašanje Neskončno vesolje: Onkraj velikega poka)
- Problem ravnosti
- Predvidena čezmerna proizvodnja magnetni monopoli
Zdi se, da model velikega praska napoveduje ukrivljeno vesolje, v katerem energija sploh ni enakomerno razporejena in v kateri je bilo veliko magnetnih monopolov, od katerih nobeden ni ustrezal dokazom.
Fizik delcev Alan Guth je za problem ploskosti prvič izvedel na predavanju na univerzi Cornell leta 1978 Roberta Dickeja. V naslednjih nekaj letih je Guth v situacijo uporabil koncepte iz fizike delcev in razvil model inflacije zgodnjega vesolja.
Guth je svoje ugotovitve predstavil na predavanju 23. januarja 1980 v centru za linijski pospeševalnik Stanford. Njegova revolucionarna ideja je bila, da bi se načela kvantne fizike, ki so v središču fizike delcev, lahko uporabila v zgodnjih trenutkih ustvarjanja velikega praska. Vesolje bi bilo ustvarjeno z visoko gostoto energije. Termodinamika narekuje, da bi ga gostota vesolja prisilila, da se je izjemno hitro širila.
Za tiste, ki jih podrobneje zanima, bi bilo v bistvu vesolje ustvarjeno v "lažnem vakuumu" z izklopljenim Higgsovim mehanizmom (ali povedano drugače, Higgsov bozon ni obstajalo). Šel bi skozi proces prehlajevanja in iskal stabilno stanje z nižjo energijo ("pravi vakuum", v katerem vklopil se je Higgsov mehanizem) in ravno ta postopek prehlajevanja je pognal inflacijsko obdobje hitrosti širitev.
Kako hitro? Vesolje bi se podvojilo na vsakih 10-35 sekund. V 10-30 v sekundah bi se vesolje podvojilo v velikosti 100.000 krat, kar je več kot dovolj razširitev, da bi razložili problem ploskosti. Tudi če bi imelo vesolje ukrivljenost, ko se je zagnalo, bi zaradi velikega širjenja danes postalo ravno. (Upoštevajte, da je velikost Zemlje dovolj velika, da se nam zdi ravna, čeprav vemo, da je površina, na kateri stojimo, ukrivljena zunaj krogle.)
Podobno se energija porazdeli tako enakomerno, ker ko smo se začeli, smo bili zelo majhen del vesolja in ta del vesolje se je tako hitro razširilo, da če bi prišlo do večjih neenakomernih porazdelitev energije, bi bili za nas predaleč zaznati. To je rešitev problema homogenosti.
Izpopolnjevanje teorije
Kolikor je Guth lahko povedal, je teorija s teorijo bila, da se bo enkrat, ko se bo inflacija začela, nadaljevala za vedno. Zdi se, da ni jasnega mehanizma zapiranja.
Če bi se vesolje s tem tempom nenehno širilo, potem prejšnja ideja o zgodnjem vesolju, ki jo je predstavil Sidney Coleman, ne bi delovala. Coleman je predvideval, da bodo fazni prehodi v zgodnjem vesolju nastali z ustvarjanjem drobnih mehurčkov, ki so se združili. Z inflacijo so se drobni mehurčki prehitro odmikali drug od drugega, da bi se kdaj zlili.
Navdušen nad perspektivo je ruski fizik Andre Linde napadel to težavo in spoznal, da obstaja še ena razlaga, ki je skrbela za to težavo, medtem ko je na tej strani Železna zavesa (to je bilo osemdeseta leta, se spomnite) Andreas Albrecht in Paul J. Steinhardt je iznašel podobno rešitev.
Ta novejša različica teorije je tista, ki je resnično vlekla skozi osemdeseta leta in sčasoma postala del uveljavljene teorije velikega udarca.
Druga imena za teorijo o inflaciji
Teorija inflacije vključuje več drugih imen, vključno z:
- kozmološka inflacija
- kozmična inflacija
- inflacija
- stara inflacija (Guthova prvotna različica teorije iz leta 1980)
- nova teorija inflacije (ime različice z odpravljeno težavo z mehurčki)
- počasna inflacija (ime različice s težavo z mehurčki)
Obstajata tudi dve tesno povezani različici teorije, kaotična inflacija in večna inflacija, ki imajo nekaj manjših razlikovanj. V teh teorijah se mehanizem inflacije ni zgodil samo enkrat po velikem udaru, ampak se ves čas dogaja v različnih vesoljskih regijah. Kot del teh sistemov si predstavljajo število množičnih vesoljev, ki se hitro množijo multiverse. Nekateri fiziki poudarjajo, da so te napovedi prisotne v vse različice teorije inflacije, zato jih v resnici ne upoštevajte ločenih teorij.
Kot kvantna teorija obstaja terenska interpretacija teorije inflacije. V tem pristopu je pogonski mehanizem t.i. inflatonsko polje ali delci inflatona.
Opomba: Medtem ko koncept temna energija v sodobni kozmološki teoriji prav tako pospešuje širjenje vesolja, zdi se, da so vpleteni mehanizmi zelo različni od tistih, ki sodelujejo v teoriji inflacije. Eno področje, ki zanima kozmologe, so načini, kako lahko teorija inflacije privede do vpogleda v temno energijo ali obratno.