Огромна инфлация от самото начало: Космическа инфлация
Това е хипотеза, която на пръв поглед може да изглежда луда и противоречи на представите за здравия разум. От друга страна, тя дава отговори на най-важните въпроси в космологията и напълно е променила възгледа за Вселената.
Много неясноти.
Благодарение на богатството от експериментални доказателства теорията за Големия взрив се е превърнала в неразделна част от космологията. Сегашната му форма обаче се различава от първата концепция в няколко отношения. През десетилетията учените са открили няколко явления, които оригиналният модел не е могъл да изясни задоволително.
Може би най-голямата загадка беше цялостното подреждане на материята и самата геометрия на космоса. Ако погледнахме на Вселената от голямо разстояние, тя би ни изглеждала приблизително еднаква (еднородна, т.е. хомогенна и изотропна) на всички места и във всички посоки. Що се отнася до пространството, то се наблюдава почти напълно равно. Но точната концепция на теорията за големия взрив предполагаше точно обратното. Галактиките трябва да се струпват в гигантски образувания, а структурата на пространството да наподобява повърхността на сфера. В същото време теорията предсказва образуването на частици, така да се каже, от нищото, но не обяснява как е могло да се случи това. И броят на въпросите без отговор непрекъснато нарастваше.
. и едно решение
Някои от наблюденията, с които първоначалната концепция за голямата треска не можеше да се справи, бяха изяснени от наличието на скрита, т.нар. тъмна материя и тъмна енергия. Останалото е решено през 1980 г. от младия космолог Алън Гът с хипотезата за космическата инфлация. По-късно е редактиран от Андрей Линде от Московския университет, заедно с американските физици Пол Щайнхард и Андреас Албрехт.
Инфлационната хипотеза добави към теорията за Големия взрив момента, когато Вселената увеличи обема си изключително за невъобразимо кратко време. Дори и днес учените не са съгласни колко се е увеличил, но най-често съобщаваните изчисления показват, че пространството на космоса е можело да бъде раздуто повече от 10 30 пъти. Известният популяризатор на науката физик Брайън Грийн дори говори за до 10 100 пъти разширяване. Както и да е, само тези минималните стойности надвишават скоростта на нарастване на космоса през следващите 13,7 милиарда години! И за да влоши нещата, целият процес отне невероятно кратко време - около 10-35 секунди. Така Вселената се разрастваше със скорост, многократно по-голяма от скоростта на светлината. 1
Инфлационно поле?
Целият процес се е случил непосредствено след Големия взрив, вероятно когато Вселената е била „стара“ 10-33 секунди.
Засега има само спекулации относно причината за инфлацията. Някои физици вярват, че разширяването е причинено от бозоните на Хигс. Други търсят обяснения в теорията на струните или квантовата гравитация. Полето Хигс изглежда най-вероятният кандидат. То се нарича още поле на инфлатон. Както всеки друг вид поле, това се състои от определени квантови частици. Например електромагнитното поле или дори светлината образуват фотони. 2 В случай на инфлация това би била хипотетична структура, наречена инфлация.
Оказва се, че инфлатонното поле трябва да представлява свойство на самото пространство, т.нар вакуумна енергия. Със своите атрибути той прилича на тъмната енергия, която движи космическото разширяване дори днес, макар и с по-бавни темпове - но инфлатонното поле беше поне 10 100 пъти по-силно.
Как се е надула Вселената
Но не само въпросът за инфлационното поле остава без отговор. Дори днес много въпроси са свързани с теорията за инфлацията. Откъде например идва енергията, способна да предизвика толкова голямо разширяване на пространството, и защо тя не е освободена рано или късно, а точно след големия взрив?
Алън Гът потърси обяснение в квантовата механика, по-специално в квантовото тунелиране. Това е спонтанно преминаване на тела през привидно непреодолима бариера. Но както при всичко в квантовата механика, не е възможно да се определи кога започва процесът, има само определена вероятност. За щастие то се осъществява само на атомно ниво. И Вселената не беше по-голяма само след създаването си. Затова беше изключително горещо, температурите достигнаха огромни стойности, около 10 32 ° C.
Цялата тази енергия се съдържаше в полето на инфлатона. Но с нарастването на пространството бавно се охлаждаше и енергията му също намаляваше. Следователно инфлационното поле трябваше да премине в по-ниско енергийно състояние. (Един от основните принципи в природата е, че обектите винаги се спускат до позицията с възможно най-ниската енергия.) Според Алън Гът полето на Хигс не е преминало в това състояние при плавен преход, както когато едно светещо тяло се охлажда, а „тунелирани“ в него. Затова тя промени температурата си, като скочи. В същото време се отделя енергия, която стартира процеса на инфлация.
Но Гът с основание предположи, че пресичането не може да се осъществи наведнъж. Пример е радиоактивно разпадане, което също се причинява от тунелиране. (Частиците, които образуват радиоактивно излъчване, преодоляват енергийните бариери на връзките в атомите. Загубата на частици прави даден атом друг изотоп на същия или дори друг елемент.) Обект, направен от радиоактивно вещество, не променя целия си обем в друг елемент, но само определена част. По същия начин разширяването ще се извърши отделно на различни места, в резултат на което пространството няма да се увеличи равномерно, а ще се образуват някакви разширяващи се мехурчета. Теоретично те биха могли да се комбинират в по-големи единици, но получената вселена би имала значително различни региони. Но наблюденията показват точно обратното.
Нов сценарий
Проблемът беше решен от Андрей Линде и независимо от Пол Щайнхардт заедно с Андреас Албрехт. През 1982 г. те представиха т.нар нов инфлационен сценарий, според който движещата енергия инфлация не се освобождава чрез квантово тунелиране, а постепенно. В резултат на това пространството се разширява с еднаква скорост на всички места, което прави настоящата вселена хомогенна.
Увеличаването на площта обаче води до намаляване на температурата. Това не беше така по време на инфлационната фаза, която оказа влияние върху полето на Хигс. Това постепенно се променя на кварк-глюон плазма по време на разширяване на фазовия преход, докато инфлацията спре в рамките на 10-32 секунди. (Фазовият преход е промяна от едно термодинамично състояние в друго, различно от промяна на състоянието от твърдо в течно или обратно.). По този начин космическото пространство беше изпълнено с изключително горещо вещество, съдържащо свободни кварки и редица други елементарни частици. Поради високата температура обаче те не могат да се комбинират в по-сложни структури. Образуването на първите протони и неутрони настъпи около милионна част от секундата след Големия взрив, когато Вселената се охлади до по-"приемливите" 10 милиарда градуса. Но най-простите атоми не започнаха да се образуват, докато той не беше "стар" в продължение на три минути.
Теорията за Големия взрив също показва, че Космосът е бил хаотично място с подчертано криво пространство-време преди ерата на инфлацията. По това време веществото, изпълващо Вселената, беше невъобразимо горещо и невъобразимо плътно. Тя гравитационно деформира обкръжението си. Според специалната теория на относителността структурата на пространство-времето по този начин прилича на платно, което се огъва, когато поставим тежест върху него.
По-късно, когато разширяването на инфлацията значително „разрежда“ масата, деформациите на пространството-време бяха компенсирани до голяма степен. Но не напълно. На субатомно ниво има леки квантови колебания. И на субатомно ниво беше цялата вселена от онова време. Инфлацията е раздула тези колебания с Вселената до мега-измерения. Резултатът беше микробите на по-късната структура на космоса. Места с по-голяма масова концентрация, където все повече частици се натрупват през следващия период, образуват първите галактики от милиарди години.
Недостатъци срещу доказателства
Повечето физици днес приемат космическата инфлация. Въпреки многото решения, които предлага този космологичен модел, не трябва да се забравя, че той не е напълно потвърден. Настоящите физически уравнения просто не са достатъчни, за да опишат екстремните условия, които преобладаваха непосредствено след Големия взрив. Следователно не всички са приели тази концепция. Физикът Роджър Пенроуз се превърна в голям противник, според който подобен процес изисква много прецизна настройка на първоначалните условия. Дори Пол Щайнхард, един от създателите на теорията, признава, че Вселената теоретично би могла да достигне сегашното си състояние без инфлация.
Понастоящем се изследва и възможността за инфлация от случайни начални условия и на други етапи от развитието на космоса. Обмисля се и някаква вечна инфлация, която локално престава с появата на инфлационна мулти-вселена.
Но колкото и странна да изглежда на пръв поглед теорията за инфлацията, има много доказателства в нейна полза. Вероятно най-важната находка идва от сондата WMAP, а по-късно и от Планк. И двамата изследваха космическия микровълнов фон. Това е радиация от период от 380 000 години след Големия взрив. Констатации на изображения потвърди прогнозите, произтичащи от инфлационната хипотеза - изображенията ясно показват, че Вселената имаше приблизително еднаква температура на всички места. В същото време, в съответствие с теорията за инфлацията, тя съдържаше малко по-топли райони с по-висока плътност, от които в крайна сметка се образуваха галактики.
Бележки
1. Хипотезата не нарушава правилото за скоростта на светлината - 300 000 км/сек като максимално допустима стойност. Даденото число се отнася само за движението на частици в пространството, но не и за разширяването на самото пространство, което не става за сметка на която и да е същност.
2. По-добре казано, експериментите и квантовата теория показват, че електромагнитното поле има прекъсната структура, образувана от някакъв вид енергийни пакети, които в този случай са фотони.
Ресурси и интернет връзки за по-нататъшно четене по темата
Брайън Грийн - Структурата на Вселената (Време, Пространство и Природата на реалността), Пасека (2012)
Пол Дж. Щайнхард и Нийл Турок - Без начало и край (Нова история на Вселената), Пасека (2009)