Всесвіт і космос

Що таке інфляційна модель Всесвіту

На превеликий жаль, у нас немає можливості відмотати час назад і подивитися, як розвивалася Всесвіт у перші хвилини свого життя. Вдаючись до математики і отриманим в результаті спостережень даними, кращі уми планети будують самі сміливі моделі. Одна з них — космічна інфляція.

Інфляційна теорія, або інфляційна модель Всесвіту, об’єднує ідеї квантової фізики та фізики елементарних частинок для дослідження ранніх моментів Всесвіту відразу після Великого вибуху. Згідно їй Всесвіт утворився в дуже нестабільному стані, який спровокував її швидке розширення в перші миті. Одним з наслідків цього розширення стало те, що Всесвіт набагато більше, ніж передбачалося спочатку, і вона простягається набагато далі, чим можуть заглянути наші телескопи.

Крім того, ця теорія передбачає деякі властивості, які не пояснені в рамках теорії Великого вибуху, — як, наприклад, рівномірний розподіл енергії і плоска геометрія простору-часу.Теорія інфляційного Всесвіту розроблена фізиком Аланом Гутом в 1980 році. Сьогодні вона вважається загальноприйнятою частиною теорії Великого вибуху, навіть незважаючи на те, що центральні ідеї останнього устоялися набагато раніше, ніж була сформульована інфляційна теорія.

З чого все началосьТеория Великого вибуху протягом багатьох років показувала себе досить успішно, зокрема, враховуючи те, що вона була підтверджена за допомогою відкриття реліктового випромінювання (мікрохвильового фону). Однак, незважаючи на великий успіх цієї теорії в поясненні більшості аспектів, спостережуваних воВселенной, залишалися три проблеми:Проблема гомогенності, або чому Всесвіт була настільки рівномірної через секунду після Великого вибуху;Проблема площинності;Передбачене перевиробництво магнітних монополів.Модель Великого вибуху ніби пророкувала викривлену Всесвіт, в якій енергія розподілялася нерівномірно і в якій було безліч магнітних монополів.

Проте ніщо з цього не відповідало даними.Алан Гут / © Annette Boutellier Фізик Алан Гут вперше дізнався про проблему площинності на лекції Роберта Діка в університеті корнелл в 1978-м В наступні роки Гут застосовував до ситуації, що склалася концепції з фізики частинок і розробив інфляційну модель раннього Всесвіту.Двадцять третього січня 1980 року Гут представив отримані дані на лекції в Національної прискорювальної лабораторії SLAC.

Його революційна ідея полягала в тому, що принципи квантової фізики з самого серця фізики частинок можна застосувати до ранніх моментів виникнення Великого вибуху. За його даними, Всесвіт повинна була володіти високою щільністю енергії. Згідно з термодинамікою, щільність Всесвіту повинна була змусити її розширюватися з неймовірною швидкістю.

По суті, згідно нової на той момент моделі, Всесвіт повинна була виникнути у «неправдивому вакуумі» і відсутність механізму Хіггса (іншими словами, бозон Хіггса не існував). Вона повинна була пройти через процес переохолодження в пошуках стабільного низькоенергетичного стану«справжнього вакууму», в якому працює механізм Хіггса) — і саме це запустило період швидкого розширення.Наскільки швидко? Як свідчить модель, Всесвіт збільшувалася вдвічі кожні 10-35 секунд.

Таким чином, у перші 10-30 секунд після Великого вибуху вона встигла б подвоїтися в розмірах 100 тисяч разів, а цього більш ніж достатньо, щоб пояснити проблему площинності. Навіть якщо у Всесвіту була якась кривизна в самому початку, така ступінь розширення призвела б до того, що сьогодні все виглядало б плоским. (Зауважте, розміру Землі достатньо, щоб вона виглядала для нас плоскою, хоча ми знаємо, що поверхня, на якій ми стоїмо, зігнута і утворює сферичний об’єкт).

Квантові флуктуації, що виникають під час інфляції, дійсно розтягуються по Всесвіту. У своєму великому прояві інфляція призводить до того, що Всесвіт стає плоскою і втрачає свою ранню кривизну / © E. Siegel/Beyond the Galaxy До того ж енергія розподілена настільки рівномірно з-за того, що на самому початку ми були дуже маленькою частиною Всесвіту, яка розширилася настільки швидко, що навіть якщо там і були значні нерівномірності у розподілі енергії, вони були б надто далеко від нас, щоб ми могли їх помітити або відчути.

Це, в свою чергу, служить рішенням проблеми гомогенності. Розвиток теорииКак стверджує сам Алан Гут, проблемою теорії було те, що, як тільки інфляція запустилася, їй довелося б тривати нескінченно. Учені не бачили натяків на якийсь чіткий механізм «відключення» цього процесу.

Крім того, якщо простір постійно розширювалося з такою швидкістю, то раніше висловлена Сідні Коулманом ідея не спрацювала би. Коулман передбачив, що при фазових переходах в ранній Всесвіту утворювалися маленькі бульбашки, які поєднувалися один з одним. При наявності інфляції бульбашки віддалялися одне від одного занадто швидко, не встигаючи об’єднатися.

На цю проблему звернув увагу радянський фізик Андрій Лінде. Він вивчив її і з’ясував, що існує інша інтерпретація, що надає рішення цієї проблеми. В той же час — це були все ще 1980-ті роки — по інший бік залізної завіси Андреас Альбрехт і Підлогу Стейнхардт самостійно прийшли до схожого рішення.

Андрій Лінде / © L. A. Cicero вся справа в тому, що в початковій моделі Гута допускалося виникнення більш однієї інфляційної області, які, в свою чергу, могли стикатися.

В такому випадку виходив безладний космос, в якому випромінювання і речовина володіють неоднорідною щільністю. Це зовсім не відповідало тому, що спостерігалося в реальності. Лінде, Альбрехт і Стейнхардт змінили рівняння скалярного поля — і все знайшло сенс.

Згідно з цим рішенням, наша спостережуваний Всесвіт сталася з одного вакуумного міхура, який відокремився від інших інфляційних областей простору. Мова йде про неймовірно — за всіма мірками — величезних відстанях. Така різна теорія инфляцииУ інфляційної теорії є кілька назв.

Наприклад, космологічна інфляція, космічна інфляція, інфляція, стара інфляція (так називають оригінальну версію теорії Алана Гута), нова інфляційна теорія (модель, розроблена Лінде, Альбрехтом і Стейнхардтом).Також є два близьких варіанту теорії: хаотична теорія інфляції і вічна інфляція. В цих теоріях механізм інфляції не просто трапився раз — відразу після Великого вибуху, — а відбувається знову і знову в різних регіонах простору.
Ці моделі припускають швидкоросла число «бульбашкових всесвітів», що є частиною Мультиверса, або Мультивселенной. Деякі фізики відзначають, що ці передбачення присутні у всіх версіях інфляційної моделі Всесвіту, і тому не вважають їх різними теоріями.

Related posts

Leave a Comment