Inflationsteori samler ideer fra kvantefysik og partikelfysik at udforske de tidlige øjeblikke i universet efter big bang. I henhold til inflationsteorien blev universet skabt i en ustabil energitilstand, hvilket tvang en hurtig ekspansion af universet i dets tidlige øjeblikke. En konsekvens er, at universet er langt større end forventet, langt større end den størrelse, som vi kan observere med vores teleskoper. En anden konsekvens er, at denne teori forudsiger nogle træk - såsom den ensartede fordeling af energi og den flade geometri af rumtid—Som ikke tidligere blev forklaret inden for rammerne af teorien om Big Bang.
Udviklet i 1980 af partikelfysikeren Alan Guth, betragtes inflationsteori i dag generelt som en bredt accepteret komponent i den store bang teori, selvom de store ideer i big bang teorien var veletablerede i årevis forud for udviklingen af inflation teori.
Oprindelsen af inflationsteori
Det teorien om Big Bang havde vist sig ganske vellykket gennem årene, især efter at have været bekræftet gennem opdagelsen af den kosmiske mikrobølgebakgrundsstråling (CMB) -stråling. På trods af teoriens store succes med at forklare de fleste aspekter af universet, som vi så, var der tre større problemer tilbage:
- Homogenitetsproblemet (eller "Hvorfor var universet så utroligt ensartet bare et sekund efter big bang?") Som spørgsmålet præsenteres i Endless Universe: Beyond the Big Bang)
- Fladhedsproblemet
- Den forudsagte overproduktion af magnetiske monopoler
Big Bang-modellen så ud til at forudsige et buet univers, hvor energi overhovedet ikke blev fordelt jævnt, og hvor der var en masse magnetiske monopoler, hvoraf ingen matchede bevisene.
Partikelfysiker Alan Guth lærte først om fladhedsproblemet i et foredrag i 1978 på Cornell University af Robert Dicke. I løbet af de næste par år anvendte Guth begreber fra partikelfysik til situationen og udviklede en inflationsmodel for det tidlige univers.
Guth præsenterede sine fund på et forelæsning den 23. januar 1980 i Stanford Linear Accelerator Center. Hans revolutionerende idé var, at principperne for kvantefysik i hjertet af partikelfysik kunne anvendes på de tidlige øjeblikke af big bang-skabelsen. Universet ville være blevet skabt med en høj energitæthed. Termodynamik dikterer, at universets densitet ville have tvunget det til at ekspandere ekstremt hurtigt.
For dem, der er interesseret i mere detaljeret, ville universet i det væsentlige være skabt i et "falskt vakuum" med Higgs-mekanismen slukket (eller sagt, Higgs boson eksisterede ikke). Det ville have gennemgået en proces med superafkøling og søgt en stabil tilstand med lavere energi (et "sandt vakuum", hvor Higgs-mekanismen blev tændt), og det var denne superafkølingsproces, der drev inflationstiden hurtig udvidelse.
Hvor hurtigt? Universet ville være fordoblet i størrelse hver 10. gang-35 sekunder. Inden for 10-30 sekunder ville universet være fordoblet i størrelse 100.000 gange, hvilket er mere end nok udvidelse til at forklare fladhedsproblemet. Selv hvis universet havde krumning, da det startede, ville den store ekspansion få det til at se fladt ud i dag. (Overvej, at jordens størrelse er stor nok til, at den ser ud til at være flad, selvom vi ved, at den overflade, vi står på, er den buede uden for en kugle.)
På samme måde fordeles energi så jævnt, da vi startede, vi var en meget lille del af universet, og den del af universet ekspanderede så hurtigt, at hvis der var nogen større ujævn fordeling af energi, ville de være for langt væk fra os til erkende. Dette er en løsning på homogenitetsproblemet.
Forfining af teorien
Problemet med teorien, så vidt Guth kunne fortælle, var, at når inflationen begyndte, ville den fortsætte for evigt. Der syntes ikke at være nogen klar afstandsmekanisme på plads.
Hvis rummet kontinuerligt udvides med denne hastighed, ville en tidligere idé om det tidlige univers, præsenteret af Sidney Coleman, ikke fungere. Coleman havde forudsagt, at faseovergange i det tidlige univers fandt sted ved skabelsen af bittesmå bobler, der sammenklappede sig sammen. Med inflationen på plads bevægede de små bobler sig fra hinanden for hurtigt til nogensinde at samle sig.
Fascineret af udsigten angreb den russiske fysiker Andre Linde dette problem og indså, at der var en anden fortolkning, der tog sig af dette problem, mens han var på denne side af jerntæppe (dette var 1980'erne, husk) Andreas Albrecht og Paul J. Steinhardt kom med en lignende løsning.
Denne nyere variant af teorien er den, der virkelig fik trækkraft gennem 1980'erne og til sidst blev en del af den etablerede big bang-teori.
Andre navne på inflationsteori
Inflationsteori går adskillige andre navne, herunder:
- kosmologisk inflation
- kosmisk inflation
- inflation
- gammel inflation (Guths originale 1980-version af teorien)
- ny inflationsteori (navnet på den version med bobleproblemet rettet)
- slow-roll inflation (navnet på versionen med bobleproblemet rettet)
Der er også to tæt beslægtede varianter af teorien, kaotisk inflation og evig inflation, som har nogle mindre sondringer. I disse teorier forekom inflationsmekanismen ikke bare en gang umiddelbart efter big bang, men sker snarere gang på gang i forskellige rumområder hele tiden. De positionerer et hurtigt multiplikerende antal "bobleunivers" som en del af multivers. Nogle fysikere påpeger, at disse forudsigelser er til stede i alle versioner af inflationsteori, så betragt dem ikke rigtig som forskellige teorier.
Som en kvanteteori er der en feltfortolkning af inflationsteorien. I denne tilgang er drivmekanismen inflaton felt eller inflaton partikel.
Bemærk: Mens begrebet mørk energi i moderne kosmologisk teori fremskynder også udvidelsen af universet, de involverede mekanismer ser ud til at være meget forskellige fra dem, der er involveret i inflationsteorien. Et område af interesse for kosmologer er måderne, hvorpå inflationsteorien kan føre til indsigt i mørk energi, eller omvendt.