Teorie inflace sdružuje nápady od kvantová fyzika a částicová fyzika prozkoumat rané okamžiky vesmíru po velkém třesku. Podle teorie inflace byl vesmír vytvořen v nestabilním energetickém stavu, který v jeho raných okamžicích nutil rychlou expanzi vesmíru. Jedním z důsledků je, že vesmír je výrazně větší, než se očekávalo, mnohem větší, než je velikost, kterou můžeme pozorovat u našich dalekohledů. Dalším důsledkem je, že tato teorie předpovídá některé rysy - jako je rovnoměrné rozložení energie a plochá geometrie vesmírný čas- které nebyly dříve vysvětleny v rámci teorie velkého třesku.
Teorie inflace, která byla vyvinuta v roce 1980 fyziky částic Alanem Guthem, je dnes obecně považována za široce přijímanou součást velké Teorie třesku, i když hlavní myšlenky teorie velkého třesku byly dobře zavedeny roky před vývojem inflace teorie.
Počátky teorie inflace
teorie velkého třesku V průběhu let se ukázalo jako velmi úspěšné, zejména bylo potvrzeno objevem záření kosmického mikrovlnného pozadí (CMB). Navzdory velkému úspěchu teorie vysvětlit většinu aspektů vesmíru, které jsme viděli, zbývaly tři hlavní problémy:
- Problém homogenity (nebo: „Proč byl vesmír tak neuvěřitelně jednotný jen jednu sekundu po velkém třesku ?;“, jak je otázka uvedena v Nekonečný vesmír: Za Velkým třeskem)
- Problém rovinnosti
- Předpokládaná nadprodukce magnetické monopoly
Zdálo se, že model velkého třesku předpovídal zakřivený vesmír, ve kterém energie nebyla distribuována vůbec rovnoměrně a ve kterém bylo mnoho magnetických monopolů, z nichž žádný neodpovídal důkazům.
Fyzik částic Alan Guth se poprvé dozvěděl o problému plochosti v přednášce na Cornellově univerzitě v roce 1978 Roberta Dickeho. Během několika příštích let Guth aplikoval koncepty z fyziky částic na situaci a vyvinul inflační model raného vesmíru.
Guth přednesl svá zjištění na přednášce 23. ledna 1980 v Stanfordově lineárním akcelerátorovém centru. Jeho revoluční myšlenkou bylo, že principy kvantové fyziky v srdci částicové fyziky lze aplikovat na rané okamžiky vytvoření velkého třesku. Vesmír by byl vytvořen s vysokou hustotou energie. Termodynamika diktuje, že hustota vesmíru by ji přinutila k expanzi extrémně rychle.
Pro ty, kteří se zajímají podrobněji, by byl vesmír v podstatě vytvořen ve „falešném vakuu“ s Higgsovým mechanismem vypnutým (nebo, jinak řečeno, Higgsův boson neexistoval). Prošlo by procesem podchlazení, hledáním stabilního nízkoenergetického stavu („skutečné vakuum“, ve kterém Higgsův mechanismus zapnut) a právě tento proces podchlazení řídil inflační období rychlého rozšíření.
Jak rychle? Velikost vesmíru by se každých 10 zdvojnásobila-35 sekundy. Do 10-30 vteřiny by se vesmír zdvojnásobil na 100 000krát, což je více než dost expanze k vysvětlení problému plochosti. I když měl vesmír zakřivení, když to začalo, tak velká expanze by způsobila, že se dnes zdá byt plochý. (Uvažujme, že velikost Země je dostatečně velká, aby se nám zdálo být plochá, i když víme, že povrch, na kterém stojíme, je zakřivený vně koule.)
Podobně je energie distribuována tak rovnoměrně, protože když to začalo, byli jsme velmi malou částí vesmíru a tou částí vesmír se rozšířil tak rychle, že kdyby existovala nějaká velká nerovnoměrná distribuce energie, byli bychom příliš daleko na to, abychom vnímat. Toto je řešení problému homogenity.
Zdokonalování teorie
Problém s teorií, pokud to Guth dokázal říct, spočíval v tom, že jakmile začne inflace, bude to pokračovat navždy. Zdálo se, že neexistuje žádný jasný uzavírací mechanismus.
Také, pokud by se prostor tímto tempem neustále rozšiřoval, pak by předchozí představa o ranném vesmíru, kterou předložil Sidney Coleman, nefungovala. Coleman předpověděl, že fázové přechody v časném vesmíru nastaly vytvořením drobných bublin, které se spojily dohromady. Když byla inflace na místě, malé bubliny se od sebe vzdálily příliš rychle, než aby se spojily.
Ruský fyzik Andre Linde, fascinovaný vyhlídkou, napadl tento problém a uvědomil si, že existuje jiný výklad, který se o tento problém postaral, zatímco na této straně Železná opona (toto bylo osmdesátá léta, pamatujte) Andreas Albrecht a Paul J. Steinhardt přišel s podobným řešením.
Tato novější varianta teorie je ta, která skutečně získala trakci během 80. let a nakonec se stala součástí zavedené teorie velkého třesku.
Jiná jména pro teorii inflace
Teorie inflace má několik dalších jmen, včetně:
- kosmologická inflace
- kosmická inflace
- inflace
- stará inflace (Guthova původní verze z roku 1980)
- nová teorie inflace (název verze s problémem s bublinou opraven)
- pomalá inflace (název verze s opravou problému s bublinami)
Existují také dvě úzce související varianty teorie, chaotická inflace a věčná inflace, které mají některé drobné rozdíly. V těchto teoriích se inflační mechanismus nestal jen jednou bezprostředně po velkém třesku, ale spíše se děje znovu a znovu v různých oblastech vesmíru po celou dobu. Představují rychle se násobící počet „bublinových vesmírů“ jako součást multiverse. Někteří fyzici poukazují na to, že tyto předpovědi jsou přítomny Všechno verze teorie inflace, takže je nepovažujte za odlišné teorie.
Jako kvantová teorie existuje interpretace teorie inflace v terénu. V tomto přístupu je hnacím mechanismem inflatonové pole nebo částice inflatonu.
Poznámka: Zatímco koncept temná energie v moderní kosmologické teorii také zrychluje expanzi vesmíru, zúčastněné mechanismy se zdají být velmi odlišné od mechanismů zapojených do teorie inflace. Jednou z oblastí zájmu kosmologů je způsob, jakým by teorie inflace mohla vést k nahlédnutí do temné energie nebo naopak.