Kako se inflacija dogodila - i zašto nas je briga?

Teorija velikog praska: Vremenska crta svemira

Ova grafika prikazuje vremensku crtu svemira temeljenu na teoriji Velikog praska i modelima inflacije. (Kredit za sliku: NASA/WMAP)



Paul Sutter je astrofizičar u Državno sveučilište Ohio a glavni znanstvenik u Znanstveni centar COSI . Sutter je također domaćin ' Pitajte svemirca 'i' Svemirski radio , 'i vodi AstroTours oko svijeta. Sutter je ovaj članak pridonio časopisu demokratija.eu's Expert Voices: Op-Ed & Insights.



Godine 1980. fizičar Alan Guth predložio je radikalno proširenje standardnog modela Velikog praska u povijesti svemira. U to se vrijeme znalo da se naš kozmos širi - postaje sve veći i veći svaki dan - ali stopa širenja je relativno blaga. Guth je pretpostavio da je u nekim od najranijih trenutaka našeg svemira (negdje oko 10^-36 sekundi), naš svemir prošao razdoblje pretjerano ubrzanog širenja. Tijekom tog razdoblja, svemir se napuhao za faktor 10^26 u samo 10^-32 sekunde-životni vijek u usporedbi s tadašnjom dobi svemira, ali najmanji djelić trenutka za naše zrelije oči.

Ovaj transformacijski događaj, poznat kao kozmička inflacija, zgodno objašnjava neke zbunjujuće značajke pronađene u astronomskim opažanjima. To uključuje osebujnu geometrijsku ravninu svemira na velikim mjerilima, očitu vezu između udaljenih kutova svemira i apsolutni nedostatak egzotičnih monopola-čestica sa samo jednim magnetskim polom, umjesto uobičajena dva-kojih je trebalo nastati u izobilju u kozmičkom danu. [Kako je inflacija dala univerzumu konačan početak (infografika)]



U desetljećima od Guthovog početnog, probnog prijedloga, pojam inflacije ostao je frustrirajuće tajanstven, ali i dalje stoji kao naša vodeća teorija o tome što se dogodilo dok je naš svemir bio mlad i egzotičan.

Samo ga povećajte

U našem modernom poimanju kozmičke inflacije, to razdoblje brzog, ubrzanog širenja pokreće novi lik koji se pridružuje kozmološkoj glumačkoj ekipi: nešto što se zove inflaton. Shvaćaš? Inflaton se napuhuje. Nije najkreativnije ime, ali eto.

Na ovoj slici inflaton je kvantno polje koje prožima cijeli prostor i vrijeme. Isto je kao i bilo koje drugo kvantno polje - elektromagnetsko polje odgovorno za fotone, Diracovo polje odgovorno za elektrone itd. Kvantna polja su naša teorija koja objašnjava temeljnu strukturu sve materije i zračenja, i oni su velika stvar.



Dakle, nije posve smiješno predlagati novu vrstu kvantnog polja koje je uvelike utjecalo na rani svemir, ali danas nije jako uočljivo.

Druga značajka kvantnih polja je da je s njima povezana određena količina energije, čak i u vakuumu. Ako uzmete kutiju i evakuirate sve čestice i zračenje iz te kutije, što će rezultirati apsolutno čistim vakuumom, kutija će i dalje sadržavati nešto energije. Ta se energija može promatrati kao temeljna vibracija u kvantnim poljima koja čine stvarnost.

Taj je dio važan jer ta energija vakuuma ima neobično svojstvo ubrzavajući širenje svemira . Ne znamo unaprijed kolika bi mogla biti energija vakuuma bilo kojeg od pojedinačnih kvantnih polja. Ako je nula, tada ne bismo vidjeli ubrzano širenje na kozmičkim mjerilima. Ako je to velika vrijednost, tada bi se svemir mogao samo napuhati.

Univerzalni balon



U modelu inflacije inflaton je kvantno polje koje počinje velikom količinom energije vakuuma. Svemir se čuje, a inflacija čini svoje. No, tada se inflaton (nekako) mijenja i smanjuje svoju energiju vakuuma, zatvarajući inflacijsku epohu. Ovdje sam nekako neodređen, jer je fizika, nekako, nejasna.

Na kraju inflacije inflaton ima posljednji trik u rukavu. Prije nego što nestane u zaborav, raspada se, pretvarajući se u poplavu pravilne materije i zračenja. Opet, ovo nije tako ludo kako se čini, jer su kvantna polja savršeno sposobna pretvoriti se jedno u drugo iz hira (ovo je moderna slika složenih interakcija čestica).

Ovaj događaj u posljednji trenutak, poznat kao podgrijavanje, zasijao je veliki, hladan i prazan svemir temeljnim dijelovima. Oni će na kraju izrasti u protone, atome, oblake plina, zvijezde i galaksije.

To je lijepa priča, ali kako da znamo da je to ispravno?

Kvrge i vrckanje

Za inflaciju, vrag je u kozmološkim detaljima. Model inflacije predviđa da svježe nataložena tvar i zračenje nisu bili samo razbacani bez brige. Ne, postojao je uzorak. Mehanizam inflacije nije samo brzo proširio svemir; također je brzo proširilo sve u svemiru, uključujući temeljne vibracije ugrađene u samo kvantno polje inflacije.

Ove su se vibracije širile jedna za drugom, što je dovelo do svemira punog sićušnih izbočina i kolebanja - neznatnih varijacija u gustoći od mjesta do mjesta. A inflacija nas uči da su te neravnine imale poseban obrazac. Konkretno, trebalo bi biti jednako toliko malih udaraca i mrlja kao i velikih neravnina. Osim toga, kako se te neravnine i kolebanja razvijaju u novonapuhanom svemiru, ne bi se trebale zapravo međusobno povezivati.

U kozmološkom žargonu, te neravnine i vrckanja trebale bi biti gotovo invarijantne (poput orkestra u kojem niskotonski i visoki tonovi imaju potpuno istu glasnoću) i gausovski (svaki član orkestra svira iz drugog glazbeni sklop i ništa ih ne usklađuje).

Ove male razlike u gustoći rasle su s razvojem svemira, pri čemu su džepovi nešto veće gustoće akumulirali sve više i više tvari. To im je pak dalo jači gravitacijski utjecaj na okolinu, zbog čega su postajali sve veći itd.

Male razlike u gustoći postale su velike razlike u gustoći, utisnuvši se u temperaturni uzorak koji se nalazi u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini, zaostaloj svjetlosti iz vremena kada je svemir bio star samo 270.000 godina. Od tada su razlike nastavile rasti, nakupljajući materiju koja je postala sjeme svih struktura u svemiru, od pojedinačnih zvijezda do same kozmičke mreže.

Detaljna proučavanja tih obrazaca otkrivaju da su doista gotovo mjerljivo invarijantni i Gaussovi, upravo onakva kakva ih inflacija predviđa. Iako fizika procesa uopće nije dobro shvaćena i, doduše, prilično je škrta, inflacija je uspjela proći svaki eksperimentalni test koji joj se postavi. Možda će jednog dana bolje razumijevanje ove izvanredne epohe u povijesti našeg svemira stvoriti potpuno drugačiju sliku, ali u međuvremenu je priča o inflaciji - koliko god tanka bila - naša najbolja opklada.

Saznajte više slušajući epizodu 'Zašto nam treba kozmička inflacija? (2. dio)' na podcastu 'Ask a Spaceman', dostupnom na iTunes i na webu u http://www.askaspaceman.com . Zahvaljujući Massimilianu S., Lorenzu B., @ZachCoty, Pete E., Christianu W., @up_raw, Vicki K., Thomasu, Bandi C., Steveu S., Evanu W., Andrewu P., @Mark Mark, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M., Jim W., Cosmic Wakes, Floren H., Gabi P., Amanda Z. i @scaredjackel za pitanja koja su dovela do ovog djela! Postavite vlastito pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter . Pratite nas na Twitteru @Spacedotcom i dalje Facebook . Originalni članak na demokratija.eu .