Inflációs elmélet ötvözi a kvantumfizika és részecskefizika hogy felfedezzék a világegyetem korai pillanatait, a nagy bumm után. Az inflációs elmélet szerint az univerzum instabil energiaállapotban jött létre, ami a világegyetem korai pillanataiban gyors terjeszkedést váltott ki. Ennek egyik következménye az, hogy a világegyetem rendkívül nagy a vártnál, sokkal nagyobb, mint amennyit távcsöveinkkel megfigyelhetünk. Egy másik következmény az, hogy ez az elmélet megjósolja néhány tulajdonságot - például az energia egyenletes eloszlását és a lapos geometriáját téridő- amelyet korábban nem magyaráztak a ősrobbanás elmélet.
Alan Guth részecskefizikus által 1980-ban kifejlesztett inflációs elméletet manapság általában a nagyok általánosan elfogadott elemének tekintik bang elmélet, annak ellenére, hogy a big bang elmélet központi gondolatai az infláció alakulását megelőző években jól megalapozottak voltak elmélet.
Az inflációelmélet eredete
Az ősrobbanás elmélet az évek során meglehetősen sikeresnek bizonyult, különösen a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) sugárzás felfedezésével. Annak ellenére, hogy az elmélet nagy sikerrel magyarázta meg az univerzum legtöbb szempontját, amelyet látott, három fő probléma maradt fenn:
- A homogenitási probléma (vagy: "Miért volt az univerzum annyira hihetetlenül egységes, csak egy másodperccel a nagy robbantás után?;") Végtelen univerzum: A Nagyrobbanáson túl)
- A sík probléma
- A várható túltermelés mágneses monopóliumok
Úgy tűnt, hogy a nagyrobbanás egy ívelt univerzumot jósol, amelyben az energia egyáltalán nem oszlik el egyenletesen, és amelyben nagyon sok mágneses monopólium létezett, amelyek egyike sem felelt meg a bizonyítékoknak.
Alan Guth részecskefizikus először a síkosság problémájáról tanulmányozta Robert Dicke egy 1978-os előadása a Cornell Egyetemen. A következő néhány évben Guth a részecskefizikától kezdve a fogalmakat alkalmazta a helyzetre és kidolgozta a korai világegyetem inflációs modelljét.
Guth 1980. január 23-án tartott előadásán mutatta be eredményeit a Stanford Lineáris Gyorsító Központban. Forradalmi gondolata az volt, hogy a kvantumfizika alapelemei, amelyek a részecskefizika középpontjában állnak, alkalmazhatók a nagy robbantás korai pillanataiban. Az univerzum nagy energia sűrűséggel lett volna létrehozva. A termodinamika azt diktálja, hogy a világegyetem sűrűsége kényszerítette rá, hogy rendkívül gyorsan bővüljön.
Azok számára, akik érdeklődnek részletesebben, az univerzum alapvetően "hamis vákuumban" jött volna létre, ha a Higgsi mechanizmus ki lett kapcsolva (vagy másként fogalmazva: a Higgs-bozon nem létezett). A túlhűtési folyamaton ment keresztül, egy alacsonyabb energiatartalmú állapot elérésére ("valódi vákuum") bekapcsolódott a Higgs-mechanizmus), és ez a túlhűtési folyamat vezette a gyors inflációs időszakot terjeszkedés.
Mennyire gyorsan? Az univerzum tízszeresére megduplázódott volna-35 másodperc. 10 éven belül-30 másodperc alatt az univerzum mérete megkétszereződött volna 100 000-szer, ami több, mint elegendő kiterjesztés a síkosság problémájának magyarázatához. Még ha az univerzum is görbült volna, amikor elindult, akkor ez a nagy kiterjedés ma laposnak tűnhet. (Vegye figyelembe, hogy a Föld mérete olyan nagy, hogy számunkra síknak tűnik, annak ellenére, hogy tudjuk, hogy a felület, amelyen állunk, egy gömb ívelt külső része.)
Hasonlóképpen, az energia olyan egyenletesen oszlik el, mert amikor elindultak, akkor a világegyetem nagyon kicsi része vagyunk, az univerzum olyan gyorsan bővült, hogy ha jelentős egyenetlen energiaeloszlás lenne, akkor túl messze lennének ahhoz, hogy érzékelik. Ez a megoldás a homogenitási problémára.
Az elmélet finomítása
Az elmélet problémája, amennyire Guth tudta mondani, az volt, hogy amint az infláció elindult, örökké folytatódni fog. Úgy tűnt, hogy nincs egyértelmű lezáró mechanizmus.
Továbbá, ha a tér folyamatosan növekszik ilyen sebességgel, akkor a korai világegyetemről szóló, Sidney Coleman által bemutatott ötlet nem működne. Coleman azt jósolta, hogy a fázisátmenet a korai világegyetemben apró buborékok létrehozásával zajlik, amelyek összeillenek egymással. A helyett az infláció az apró buborékok túl gyorsan elmozdultak egymástól, hogy valaha összeolvadjanak.
Andre Linde az orosz fizikus, a lelkesedés miatt megtámadta ezt a problémát, és rájött, hogy van egy másik értelmezés, amely gondoskodik erről a problémáról, míg a vasfüggöny (ez volt a 1980-as évek, emlékszem) Andreas Albrecht és Paul J. Steinhardt hasonló megoldással jött létre.
Az elmélet ezen újabb változata az, amely valóban vonzza az 1980-as évek során, és végül a bevált nagy bumm elmélet részévé vált.
Az inflációelmélet egyéb nevei
Az inflációs elmélet több más néven is megy, köztük:
- kozmológiai infláció
- kozmikus infláció
- infláció
- régi infláció (Guth elmélet eredeti 1980-as verziója)
- új inflációs elmélet (annak a verziónak a neve, amelynek a buborék-probléma javítva van)
- lassú tekercselés (annak a verziónak a neve, ahol a buborék probléma javítva van)
Az elméletnek két szorosan kapcsolódó változata is van, kaotikus infláció és örök infláció, amelyeknek vannak kisebb különbségeik. Ezekben az elméletekben az inflációs mechanizmus nem csak egyszer történt meg közvetlenül a nagyroham után, hanem inkább újra és újra megtörténik a tér különböző régióiban. Ezek a gyorsan növekvő számú "buborék-univerzumot" képviselik a multiverzum. Egyes fizikusok rámutattak, hogy ezek a jóslatok jelen vannak a összes az inflációs elmélet változatai, tehát ne tartsuk őket különálló elméleteknek.
Kvantumelméletként létezik az inflációelmélet terepi értelmezése. Ebben a megközelítésben a hajtó mechanizmus a felfújható mező vagy inflaton részecske.
Jegyzet: Míg a koncepció sötét energia a modern kozmológiai elméletben felgyorsítja az univerzum terjeszkedését is, úgy tűnik, hogy az érintett mechanizmusok nagyon különböznek az inflációs elméletben szereplőktől. A kozmológusok érdeklődésének egyik területe az, hogy az inflációs elmélet hogyan vezethet betekintést a sötét energiába, vagy fordítva.