Wieczna inflacja

Wieczna inflacja to hipotetyczny inflacyjny model wszechświata, który sam w sobie jest następstwem lub rozszerzeniem teorii Wielkiego Wybuchu .

Zgodnie z wieczną inflacją inflacyjna faza rozszerzania się wszechświata trwa wiecznie w większości wszechświata. Ponieważ regiony rozszerzają się wykładniczo szybko, większość objętości Wszechświata w danym momencie się powiększa. Dlatego wieczna inflacja tworzy hipotetycznie nieskończony multiwers , w którym tylko nieznaczna objętość fraktalna kończy inflację.

Paul Steinhardt , jeden z pierwszych badaczy modelu inflacyjnego, przedstawił pierwszy przykład wiecznej inflacji w 1983 roku, a Alexander Vilenkin wykazał, że jest to model ogólny.

Alana Gutha z 2007 r. „Wieczna inflacja i jej implikacje” stwierdza, że ​​przy rozsądnych założeniach „Chociaż inflacja jest ogólnie wieczna w przyszłości, nie jest wieczna w przeszłości”. Guth wyszczególnił, co było wówczas wiadomo na ten temat, i wykazał, że wieczna inflacja była nadal uważana za prawdopodobny wynik inflacji, ponad 20 lat po tym, jak wieczna inflacja została po raz pierwszy wprowadzona przez Steinhardta.

Przegląd

Rozwój teorii

Główny artykuł: zarodkowanie bąbelków

Inflacja, czyli inflacyjna teoria wszechświata, została pierwotnie opracowana jako sposób na przezwyciężenie nielicznych pozostałych problemów z tym, co skądinąd uważano za udaną teorię kosmologiczną, czyli model Wielkiego Wybuchu.

W 1979 roku Alan Guth wprowadził inflacyjny model wszechświata, aby wyjaśnić, dlaczego wszechświat jest płaski i jednorodny (co odnosi się do płynnego rozkładu materii i promieniowania na dużą skalę). Podstawową ideą było to, że wszechświat przeszedł okres gwałtownej ekspansji kilka chwil po Wielkim Wybuchu. Zaproponował mechanizm powodujący rozpoczęcie inflacji: fałszywą energię próżni. Guth ukuł termin „inflacja” i jako pierwszy omówił tę teorię z innymi naukowcami na całym świecie.

Oryginalne sformułowanie Gutha było problematyczne, ponieważ nie było spójnego sposobu zakończenia epoki inflacji i zakończenia z gorącym, izotropowym , jednorodnym Wszechświatem obserwowanym dzisiaj. Chociaż fałszywa próżnia mogła rozpaść się na puste „bąbelki” „prawdziwej próżni”, które rozszerzały się z prędkością światła, puste bąbelki nie mogły się połączyć, aby ponownie ogrzać wszechświat, ponieważ nie nadążały za pozostałym, napełniającym się wszechświatem.

W 1982 r. ten „ problem płynnego wyjścia ” został rozwiązany niezależnie przez Andrei Linde oraz Andreasa Albrechta i Paula J. Steinhardta, którzy pokazali, jak zakończyć inflację bez tworzenia pustych baniek, a zamiast tego otrzymać rozszerzający się wszechświat. Podstawową ideą było ciągłe „powolne obracanie się” lub powolna ewolucja od fałszywej próżni do prawdziwej bez tworzenia pęcherzyków. Ulepszony model nazwano „nową inflacją”.

W 1983 roku Paul Steinhardt jako pierwszy pokazał, że ta „nowa inflacja” nie wszędzie musi się kończyć. Zamiast tego może skończyć się tylko skończoną plamą lub gorącą bańką pełną materii i promieniowania, a inflacja trwa w większości wszechświata, wytwarzając po drodze gorące bańki za gorącymi bańkami. Alexander Vilenkin wykazał, że właściwe uwzględnienie efektów kwantowych jest w rzeczywistości ogólne dla wszystkich nowych modeli inflacji.

Korzystając z pomysłów wprowadzonych przez Steinhardta i Vilenkina, Andrei Linde opublikował w 1986 roku alternatywny model inflacji, który wykorzystał te pomysły do ​​szczegółowego opisu tego, co stało się znane jako teoria inflacji chaotycznej lub wiecznej inflacji.

Fluktuacje kwantowe

Nowa inflacja nie tworzy idealnie symetrycznego wszechświata z powodu fluktuacji kwantowych podczas inflacji. Fluktuacje powodują, że gęstość energii i materii jest różna w różnych punktach przestrzeni.

Fluktuacje kwantowe w hipotetycznym polu inflacji powodują zmiany w tempie ekspansji, które są odpowiedzialne za wieczną inflację. Regiony o wyższej stopie inflacji rozwijają się szybciej i dominują we wszechświecie, pomimo naturalnej tendencji do kończenia inflacji w innych regionach. Pozwala to inflacji trwać w nieskończoność, aby wytworzyć inflację wieczną w przyszłości. Jako uproszczony przykład załóżmy, że podczas inflacji naturalne tempo zaniku pola inflacyjnego jest powolne w porównaniu z efektem fluktuacji kwantowej. Kiedy mini-wszechświat nadmuchuje się i „samoreprodukuje” w, powiedzmy, dwadzieścia odłączonych przyczynowo mini-wszechświatów o takiej samej wielkości jak oryginalny mini-wszechświat, być może dziewięć nowych mini-wszechświatów będzie miało większy, a nie mniejszy, średniej wartości pola inflacji niż w oryginalnym miniwszechświecie, ponieważ inflacja pochodziła z regionów oryginalnego miniwszechświata, w których fluktuacja kwantowa podniosła wartość inflacji bardziej niż powolne tempo zaniku inflacji obniżyło wartość inflacji. Pierwotnie istniał jeden mini-wszechświat z określoną wartością inflacji; teraz istnieje dziewięć mini-wszechświatów, które mają nieco większą wartość inflacji. (Oczywiście istnieje również jedenaście miniwszechświatów, w których wartość inflacji jest nieco niższa niż pierwotnie.) Każdy mini-wszechświat z większą wartością pola inflacji rozpoczyna w sobie podobną rundę przybliżonej samoreprodukcji. (Miniwszechświaty z niższymi wartościami inflacji również mogą się rozmnażać, chyba że ich wartość inflacji jest na tyle mała, że ​​region wypada z inflacji i przestaje się reprodukować). Proces ten trwa w nieskończoność; dziewięć miniwszechświatów o wysokim poziomie inflacji może stać się 81, a następnie 729… Tak więc istnieje wieczna inflacja.

Wiaczesław Muchanow i Giennadij Chibisow w Związku Radzieckim zasugerowali fluktuacje kwantowe w kontekście modelu zmodyfikowanej grawitacji Aleksieja Starobińskiego jako możliwe zalążki formowania się galaktyk.

W kontekście inflacji fluktuacje kwantowe zostały po raz pierwszy przeanalizowane podczas trzytygodniowych warsztatów Nuffield w 1982 r. na temat bardzo wczesnego Wszechświata na Uniwersytecie Cambridge. Średnia siła fluktuacji została najpierw obliczona przez cztery grupy pracujące oddzielnie w trakcie warsztatów: Stephen Hawking ; Starobiński; Guth i tak młoda Pi ; oraz James M. Bardeen , Paul Steinhardt i Michael Turner .

Wczesne obliczenia przeprowadzone w Nuffield Workshop koncentrowały się tylko na średnich wahaniach, których wielkość jest zbyt mała, aby wpływać na inflację. Jednak począwszy od przykładów przedstawionych przez Steinhardta i Vilenkina, później wykazano, że ta sama fizyka kwantowa powoduje sporadyczne duże fluktuacje, które zwiększają tempo inflacji i utrzymują ją w nieskończoność.

Dalsze wydarzenia

Analizując dane z satelity Planck z 2013 roku, Anna Ijjas i Paul Steinhardt wykazali, że najprostsze podręcznikowe modele inflacyjne zostały wyeliminowane, a pozostałe modele wymagają wykładniczo lepiej dostrojonych warunków początkowych, większej liczby parametrów do dostosowania i mniejszej inflacji. Późniejsze obserwacje Plancka zgłoszone w 2015 roku potwierdziły te wnioski.

Artykuł Kohli i Haslama z 2014 roku podał w wątpliwość żywotność teorii wiecznej inflacji, analizując chaotyczną teorię inflacji Lindego, w której fluktuacje kwantowe są modelowane jako biały szum gaussowski. Pokazali, że w tym popularnym scenariuszu wieczna inflacja w rzeczywistości nie może być wieczna, a przypadkowy szum prowadzi do wypełnienia czasoprzestrzeni osobliwościami. Zostało to zademonstrowane poprzez wykazanie, że rozwiązania równań pola Einsteina rozchodzą się w skończonym czasie. W związku z tym ich artykuł doszedł do wniosku, że teoria wiecznej inflacji oparta na przypadkowych fluktuacjach kwantowych nie byłaby realną teorią, a wynikające z tego istnienie multiwersu jest „nadal bardzo otwartą kwestią, która będzie wymagała znacznie głębszych badań”.

Inflacja, wieczna inflacja i wieloświat

W 1983 roku wykazano, że inflacja może być wieczna, prowadząc do wieloświata, w którym przestrzeń jest podzielona na bąbelki lub płaty, których właściwości różnią się w zależności od łatki, obejmując wszystkie fizyczne możliwości.

Paul Steinhardt, który stworzył pierwszy przykład wiecznej inflacji, ostatecznie stał się zdecydowanym i głośnym przeciwnikiem tej teorii. Twierdził, że multiwers reprezentuje załamanie teorii inflacyjnej, ponieważ w multiwersie każdy wynik jest równie możliwy, więc inflacja nie zawiera żadnych prognoz, a zatem jest nietestowalna. W konsekwencji argumentował, że inflacja nie spełnia kluczowego warunku teorii naukowej .

Jednak zarówno Linde, jak i Guth nadal popierali teorię inflacji i multiwersum. Guth oświadczył:

Trudno jest zbudować modele inflacji, które nie prowadzą do multiwersu. Nie jest to niemożliwe, więc myślę, że z pewnością trzeba jeszcze przeprowadzić badania. Jednak większość modeli inflacji rzeczywiście prowadzi do multiwersu, a dowody na istnienie inflacji będą nas skłaniać do poważnego potraktowania idei multiwersu.

Według Linde: „Możliwe jest wymyślenie modeli inflacji, które nie dopuszczają multiwersu, ale jest to trudne. Każdy eksperyment, który daje większą wiarygodność teorii inflacji, znacznie przybliża nas do wskazówek, że multiwers jest prawdziwy”.

W 2018 roku nieżyjący już Stephen Hawking i Thomas Hertog opublikowali artykuł, w którym potrzeba nieskończonego multiwersu znika, ponieważ Hawking opisuje, że ich teoria daje wszechświaty, które są „dość gładkie i globalnie skończone”. Teoria wykorzystuje zasadę holograficzną do zdefiniowania „płaszczyzny wyjściowej” z bezczasowego stanu wiecznej inflacji, wszechświaty generowane na płaszczyźnie są opisywane za pomocą redefinicji funkcji falowej bez granic , w rzeczywistości teoria wymaga granicy na początek czasu. Mówiąc prosto, Hawking mówi, że ich odkrycia „implikują znaczną redukcję wieloświata”, co, jak wskazuje Uniwersytet w Cambridge, sprawia, że ​​teoria jest „przewidywalna i testowalna” przy użyciu astronomii fal grawitacyjnych .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Eternal_inflation&oldid=1131225411 ”