Inflaatioteoria yhdistää ideoita kvanttifysiikka ja hiukkasfysiikka tutkia maailmankaikkeuden varhaisia hetkiä seuraten isoa pahaa. Inflaatioteorian mukaan maailmankaikkeus luotiin epävakaassa energiatilassa, joka pakotti maailmankaikkeuden nopeaan laajentumiseen varhaisina hetkinään. Yksi seuraus on, että maailmankaikkeus on huomattavasti odotettua suurempi, paljon suurempi kuin koko, jonka voimme tarkkailla kaukoputkeillamme. Toinen seuraus on, että tämä teoria ennustaa joitain piirteitä, kuten energian tasainen jakautuminen ja tasainen geometria spacetime- jota ei aiemmin selitetty ohjelman puitteissa iso bang teoria.
Hiukkasfysiikan Alan Guthin vuonna 1980 kehittämä inflaatioteoria pidetään nykyään yleisesti hyväksyttynä osana suurta bang-teoria, vaikka ison bang-teorian keskeiset ideat olivat vakiintuneita vuosia ennen inflaation kehittymistä teoria.
Inflaatioteorian alkuperä
iso bang teoria oli osoittautunut melko menestyväksi vuosien mittaan, etenkin kun se on vahvistettu löytämällä kosminen mikroaaltotausta (CMB). Huolimatta teorian suuresta menestyksestä selittää nähtymme maailmankaikkeuden useimmat näkökohdat, jäljellä oli kolme suurta ongelmaa:
- Homogeenisuusongelma (tai "Miksi maailmankaikkeus oli uskomattoman yhtenäinen vain sekunnin ajan ison iskun jälkeen?", Kuten kysymys esitetään Endless Universe: Ison räjähdyksen ulkopuolella)
- Tasoitusongelma
- Arvioitu ylituotanto magneettiset monopolit
Ison bangin malli näytti ennustavan kaarevaa maailmankaikkeutta, jossa energia ei jakautunut tasaisesti ja jossa oli paljon magneettisiä monopoleja, joista yksikään ei vastannut todisteita.
Hiukkasfysiikka Alan Guth oppi ensin litteysongelmasta Robert Dicken vuonna 1978 Cornellin yliopistossa pitämässä luennossa. Parin seuraavan vuoden aikana Guth sovelsi käsitteitä hiukkasfysiikasta tilanteeseen ja kehitti varhaisen maailmankaikkeuden inflaatiomallin.
Guth esitteli havaintonsa 23. tammikuuta 1980 luennossa Stanfordin lineaarisessa kiihdytinkeskuksessa. Hänen vallankumouksellinen ajatuksensa oli, että hiukkasfysiikan ytimessä olevia kvanttifysiikan periaatteita voitaisiin soveltaa ison bangion luomisen alkuvaiheisiin. Universumi olisi luotu suurella energiatiheydellä. Termodynamiikka määrää, että maailmankaikkeuden tiheys olisi pakottanut sen laajentumaan erittäin nopeasti.
Niille, jotka ovat kiinnostuneita yksityiskohtaisemmin, maailmankaikkeus olisi luotu "väärässä tyhjiössä" Higgs-mekanismin ollessa pois päältä (tai toisin sanoen, Higgsin bosoni ei ole olemassa). Se olisi käynyt läpi superjäähdytysprosessin, joka on löytänyt vakaan alhaisemman energian tilan ("todellinen tyhjiö", jossa Higgs-mekanismi käynnistyi), ja juuri tämä superjäähdytysprosessi ajoi nopeaa inflaatioaikaa laajennus.
Kuinka nopeasti? Universumin olisi kaksinkertaistunut koko joka 10.-35 sekuntia. 10: n sisällä-30 sekuntia, maailmankaikkeuden koko olisi kaksinkertaistunut 100 000 kertaa, mikä on enemmän kuin tarpeeksi laajentumista selittämään tasaisuusongelmaa. Vaikka maailmankaikkeudella olisi kaarevuus alkaessaan, niin suuri laajennus aiheuttaisi sen näyttävän litteäksi tänään. (Oletetaan, että maapallon koko on riittävän suuri, jotta se näyttää meille olevan tasainen, vaikka tiedämme, että pinta, jolla seisomme, on pallon kaareva ulkopinta.)
Samoin energia jakautuu niin tasaisesti, koska kun se alkoi, olimme hyvin pieni osa maailmankaikkeutta ja se osa maailmankaikkeus laajeni niin nopeasti, että jos tapahtuisi merkittäviä epätasaisia energian jakautumisia, ne olisivat liian kaukana meille hahmottaa. Tämä on ratkaisu homogeenisuusongelmaan.
Teorian tarkentaminen
Teorian ongelma, sikäli kuin Guth pystyi kertomaan, oli se, että kun inflaatio alkoi, se jatkui ikuisesti. Selvää sulkemismekanismia ei tuntunut olevan paikoillaan.
Lisäksi, jos avaruus laajeni jatkuvasti tällä nopeudella, Sidney Colemanin esittämä aikaisempi idea universumin universumista ei toimisi. Coleman oli ennustanut, että vaihesiirtymät varhaisessa maailmankaikkeudessa tapahtuivat luomalla pieniä kuplia, jotka yhdistyivät toisiinsa. Kun inflaatio oli paikoillaan, pienet kuplat liikkuivat toisistaan liian nopeasti, jotta ne koskaan yhdistyisivät.
Venäläinen fyysikko Andre Linde hyökkäsi näkymästä ja hyökkäsi tähän ongelmaan ja huomasi, että on olemassa toinenkin tulkinta, joka hoiti tämän ongelman, kun taas tällä puolella rautaesirippu (tämä oli 1980-luku, muista) Andreas Albrecht ja Paul J. Steinhardt keksi samanlaisen ratkaisun.
Tämä uudempi variantti teoriasta on se, joka todella sai pitoa 1980-luvun aikana ja josta tuli lopulta osa vakiintunutta ison bang-teoriaa.
Muut nimet inflaatioteorialle
Inflaatioteorialla on useita muita nimiä, mukaan lukien:
- kosmologinen inflaatio
- kosminen inflaatio
- inflaatio
- vanha inflaatio (Guthin alkuperäinen vuoden 1980 versio teoriasta)
- uusi inflaatioteoria (sen version nimi, jossa kuplaongelma on korjattu)
- hidas telaaminen (sen version nimi, jossa kuplaongelma on korjattu)
Teoriasta on myös kaksi läheisesti toisiinsa liittyvää varianttia, kaoottinen inflaatio ja ikuinen inflaatio, joilla on joitain pieniä eroja. Näissä teorioissa inflaatiomekanismi ei tapahtunut vain heti suuren iskun jälkeen, vaan tapahtuu yhä uudelleen ja uudelleen avaruuden eri alueilla koko ajan. Ne muodostavat nopeasti moninkertaistuvan määrän "kuplauniversumeja" osana multiverse. Jotkut fyysikot huomauttavat, että nämä ennusteet ovat läsnä kaikki inflaatioteorian versioita, joten älä todella pidä niitä erillisinä teorioina.
Kvanttiteoriana on inflaatiototeorian kenttätulkinta. Tässä lähestymistavassa käyttömekanismi on inflaton kenttä tai inflaton-partikkeli.
Huomautus: Vaikka käsite tumma energia Nykyaikaisessa kosmologisessa teoriassa myös kiihdytetään maailmankaikkeuden laajentumista, mukana olevat mekanismit näyttävät olevan hyvin erilaisia kuin inflaation teoriassa mukana olevat. Yksi kosmologien mielenkiintoinen alue on tapa, jolla inflaatioteoria voi johtaa näkemyksiin pimeään energiaan, tai päinvastoin.