Inflație extraordinară de la început: Inflația cosmică
Este o ipoteză care poate părea nebună la prima vedere și contrazice noțiunile de bun simț. Pe de altă parte, oferă răspunsuri la cele mai importante întrebări din cosmologie și a schimbat complet viziunea asupra universului.
Multe ambiguități.
Datorită multor dovezi experimentale, teoria Big Bang-ului a devenit o parte integrantă a cosmologiei. Cu toate acestea, forma sa actuală diferă de primul concept în mai multe privințe. De-a lungul deceniilor, oamenii de știință au descoperit mai multe fenomene pe care modelul original nu le-ar putea elucida în mod satisfăcător.
Probabil cel mai mare mister a fost aranjamentul general al materiei și geometria spațiului cosmic în sine. Dacă am privi universul de la mare distanță, ni s-ar părea aproximativ la fel (omogen, adică omogen și izotrop) în toate locurile și în toate direcțiile. În ceea ce privește spațiul, se observă că este aproape complet plat. Dar conceptul exact al teoriei big bang-ului a sugerat exact opusul. Galaxiile ar trebui să se grupeze în formațiuni gigantice, iar structura spațiului ar trebui să semene cu suprafața unei sfere. În același timp, teoria a prezis formarea particulelor, ca să spunem așa, din nimic, dar nu a explicat cum s-ar fi putut întâmpla acest lucru. Și numărul întrebărilor fără răspuns a crescut în continuare.
. și o soluție
Unele dintre observațiile cu care conceptul original al codului mare nu putea face față, au fost clarificate prin prezența unui ascuns, așa-numitul materia întunecată și energia întunecată. Restul a fost rezolvat în 1980 de tânărul cosmolog Alan Guth cu ipoteza inflației cosmice. Ulterior a fost editat de Andrei Linde de la Universitatea din Moscova, împreună cu fizicienii americani Paul Steinhardt și Andreas Albrecht.
Ipoteza inflației a adăugat la teoria Big Bang momentul în care universul și-a mărit volumul extrem de mult într-un timp inimaginabil de scurt. Chiar și astăzi, oamenii de știință nu sunt de acord cu cât a crescut, dar cele mai frecvente calcule arată că spațiul cosmosului ar fi putut fi umflat de peste 10 și 30 de ori. Binecunoscutul popularizator al fizicianului științific Brian Greene vorbește chiar despre o expansiune de până la 10.100 de ori. Oricum, doar acestea valorile minime depășesc rata de creștere a cosmosului în următorii 13,7 miliarde de ani! Și ca să înrăutățească lucrurile, întregul proces a durat incredibil de scurt - aproximativ 10-35 de secunde. Deci, universul creștea cu o viteză de multe ori mai mare decât viteza luminii. 1
Câmpul de inflație?
Întregul proces a avut loc chiar după Big Bang, probabil când universul era „vechi” 10-33 de secunde.
Până în prezent, există doar speculații cu privire la cauza inflației. Unii fizicieni cred că expansiunea a fost cauzată de bosonii Higgs. Alții caută explicații în teoria corzilor sau în gravitația cuantică. Câmpul Higgs pare a fi cel mai probabil candidat. Este denumit și câmpul inflaton. Ca orice alt tip de câmp, acesta consta din anumite particule cuantice. De exemplu, câmpul electromagnetic sau chiar lumina formează fotoni. 2 În cazul inflației, ar fi o structură ipotetică numită inflație.
Se pare că câmpul inflaton ar trebui să reprezinte o proprietate a spațiului în sine, așa-numitul energie de vid. Cu atributele sale, seamănă cu energia întunecată care conduce expansiunea cosmică chiar și astăzi, deși într-un ritm mai lent - dar câmpul inflaton a fost de cel puțin 10.100 de ori mai puternic.
Cum s-a umflat universul
Dar nu numai problema câmpului inflației rămâne fără răspuns. Chiar și astăzi, multe întrebări sunt asociate cu teoria inflației. De unde, de exemplu, a venit energia capabilă să inducă o expansiune atât de mare a spațiului și de ce nu a fost eliberată mai devreme sau mai târziu, ci chiar după big bang?
Alan Guth a căutat o explicație în mecanica cuantică, în special în tunelarea cuantică. Este o trecere spontană a corpurilor printr-o barieră aparent insurmontabilă. Dar, la fel ca în cazul mecanicii cuantice, nu este posibil să se determine când începe un proces, există doar o anumită probabilitate. Din fericire, are loc doar la nivel atomic. Și universul nu a fost mai mare chiar după crearea sa. Prin urmare, era extrem de cald, temperaturile au atins valori enorme, în jur de 10 32 ° C.
Toată această energie a fost conținută în câmpul inflaton. Dar pe măsură ce spațiul a crescut, s-a răcit încet și s-a micșorat și energia acestuia. Prin urmare, câmpul de inflație a trebuit să meargă într-o stare de energie mai mică. (Unul dintre principiile de bază din natură este că obiectele coboară întotdeauna la cea mai mică poziție energetică posibilă.) Potrivit lui Alan Guth, câmpul lui Higgs nu a trecut la această stare într-o tranziție lină, ca atunci când un corp strălucitor se răcește, ci „tunelat” „în el. Așa că și-a schimbat temperatura sărind. În același timp, a fost eliberată energie, care a început procesul de inflație.
Dar Guth a presupus pe bună dreptate că tranziția nu ar fi putut avea loc dintr-o dată. Un exemplu este decăderea radioactivă, care este cauzată și de tunelare. (Particulele care formează radiații radioactive depășesc barierele energetice ale legăturilor din interiorul atomilor. Pierderea particulelor face dintr-un atom dat un alt izotop al aceluiași element sau chiar al altui element.) Un obiect format din substanță radioactivă nu își schimbă întregul volum într-un alt element, ci doar o anumită parte. La fel, extinderea ar avea loc separat în diferite locuri, ca urmare a căruia spațiul nu ar crește uniform, dar s-ar forma un fel de bule în expansiune. Acestea ar putea fi combinate teoretic în unități mai mari, dar universul rezultat ar avea regiuni semnificativ diferite. Dar observațiile arată exact opusul.
Scenariu nou
Problema a fost rezolvată de Andrej Linde și independent de Paul Steinhardt împreună cu Andreas Albrecht. În 1982, au prezentat așa-numitul un nou scenariu de inflație, conform căruia inflația care conduce la energie nu a fost eliberată prin tunelare cuantică, ci treptat. Ca urmare, spațiul s-a extins în același ritm în toate locurile, făcând universul actual omogen.
Cu toate acestea, creșterea zonei duce la scăderea temperaturii. Acest lucru nu a fost cazul în timpul fazei de inflație, care a avut un impact asupra câmpului Higgs. Aceasta s-a schimbat treptat în plasma quark-gluon în timpul expansiunii tranziției de fază până când inflarea a încetat în 10-32 de secunde. (O tranziție de fază este o schimbare de la o stare termodinamică la alta, alta decât o schimbare de stare de la solid la lichid sau invers.). Spațiul cosmic a fost astfel umplut cu o substanță extrem de fierbinte conținând quarcuri liberi și o serie de alte particule elementare. Cu toate acestea, datorită temperaturii ridicate, acestea nu s-au putut combina în structuri mai complexe. Formarea primilor protoni și neutroni a avut loc la aproximativ o milionime de secundă după Big Bang, când universul s-a răcit la 10 miliarde de grade mai „acceptabile”. Dar cei mai simpli atomi nu au început să se formeze până când a fost „bătrân” timp de trei minute.
Teoria Big Bang-ului arată, de asemenea, că cosmosul a fost un loc haotic cu un spațiu-timp marcat strâmb înainte de era inflației. Substanța care umplea universul în acel moment era inimaginabil de fierbinte și inimaginabil de densă. Ea și-a deformat gravitațional împrejurimile. Conform teoriei speciale a relativității, structura spațiului-timp seamănă astfel cu o pânză care se îndoaie atunci când punem o greutate pe ea.
Mai târziu, când expansiunea inflației a „diluat” semnificativ masa, deformările spațiului-timp au fost în mare parte compensate. Dar nu complet. La nivel subatomic, există ușoare fluctuații cuantice. Și la nivel subatomic se afla întregul univers din acea vreme. Inflația a umflat aceste fluctuații cu universul la mega-dimensiuni. Rezultatul a fost germenii structurii ulterioare a cosmosului. Locurile cu o concentrație de masă mai mare, în care s-au acumulat tot mai multe particule în perioada următoare, au format primele galaxii în miliarde de ani.
Deficiențe versus dovezi
Majoritatea fizicienilor acceptă astăzi inflația cosmică. În ciuda numeroaselor soluții pe care le oferă acest model cosmologic, nu trebuie uitat că nu este complet confirmat. Ecuațiile fizice actuale pur și simplu nu sunt suficiente pentru a descrie condiții la fel de extreme ca cele care au prevalat imediat după Big Bang. Prin urmare, nu toată lumea a acceptat acest concept. Fizicianul Roger Penrose a devenit un mare adversar, potrivit căruia un proces similar necesită o reglare foarte precisă a condițiilor inițiale. Chiar și Paul Steinhardt, unul dintre creatorii teoriei, admite că universul ar putea ajunge teoretic la starea actuală fără inflație.
Posibilitatea inflației din condițiile inițiale aleatorii și din alte etape ale dezvoltării spațiului este, de asemenea, explorată în prezent. Se ia în considerare și un fel de inflație perpetuă, care încetează la nivel local odată cu apariția unui multi-univers inflaționist.
Dar, oricât de ciudată ar putea părea teoria inflației la prima vedere, există o mulțime de dovezi în favoarea sa. Probabil cea mai importantă descoperire a venit de la sonda WMAP și mai târziu de Planck. Ambii au examinat fundalul cosmic al microundelor. Aceasta este radiația dintr-o perioadă de 380.000 de ani după Big Bang. Descoperiri ale imaginii a confirmat predicțiile care decurg din ipoteza inflației - imaginile arată clar că universul avea aproximativ aceeași temperatură în toate locurile. În același timp, în conformitate cu teoria inflației, conținea regiuni ușor mai calde, cu densitate mai mare, din care în cele din urmă s-au format galaxiile.
Note
1. Ipoteza nu încalcă regula vitezei luminii - 300.000 km/s ca valoare maximă admisibilă. Numărul dat se aplică numai mișcării particulelor în spațiu, dar nu și măririi spațiului în sine, care nu are loc în detrimentul niciunei entități.
2. Mai bine spus, experimentele și teoria cuantică arată că câmpul electromagnetic are o structură discontinuă formată din niște pachete de energie, care în acest caz sunt fotoni.
Resurse și linkuri de internet pentru lecturi suplimentare pe această temă
Brian Greene - Structura universului (timpul, spațiul și natura realității), Paseka (2012)
Paul J. Steinhardt și Neil Turok - Fără început și sfârșit (Noua istorie a universului), Paseka (2009)