Óriási infláció a kezdetektől: kozmikus infláció
Ez egy olyan hipotézis, amely első pillantásra őrültnek tűnhet, és ellentmond a józan ész felfogásának. Másrészt választ ad a kozmológia legfontosabb kérdéseire, és teljesen megváltoztatta az univerzum nézetét.
Sok kétértelműség.
Rengeteg kísérleti bizonyítéknak köszönhetően az ősrobbanás elmélete a kozmológia szerves részévé vált. Jelenlegi formája azonban több szempontból is eltér az első koncepciótól. Az évtizedek során a tudósok számos olyan jelenséget fedeztek fel, amelyeket az eredeti modell nem tudott kielégítően megvilágítani.
Valószínűleg a legnagyobb rejtély az anyag általános elrendezése és maga a világűr geometriája volt. Ha nagy távolságból szemléljük az univerzumot, akkor számunkra megközelítőleg ugyanaz (homogén, azaz homogén és izotróp) tűnik mindenhol és minden irányban. Ami a teret illeti, megfigyelhető, hogy szinte teljesen lapos. De az Ősrobbanás-elmélet pontos koncepciója pont ennek ellentétét adta. A galaxisoknak gigantikus formációkba kell tömörülniük, és a tér szerkezetének hasonlítania kell egy gömb felületére. Ugyanakkor az elmélet előre jelezte a részecskék kialakulását, úgyszólván, a semmiből, de nem magyarázta el, hogyan történhetett ez. És a megválaszolatlan kérdések száma folyamatosan nőtt.
. és egy megoldás
Néhány megfigyelést, amelyekkel a nagy tőkehal eredeti koncepciója nem tudott megbirkózni, egy rejtett, ún. sötét anyag és sötét energia. A többit 1980-ban Alan Guth fiatal kozmológus oldotta meg a kozmikus inflációs hipotézissel. Később Andrei Linde, a Moszkvai Egyetem szerkesztette, Paul Steinhardt és Andreas Albrecht amerikai fizikusokkal együtt.
Az inflációs hipotézis hozzáadta az ősrobbanás elméletéhez azt a pillanatot, amikor az univerzum elképzelhetetlenül rövid idő alatt rendkívüli módon megnövelte a térfogatát. A tudósok még ma sem értenek egyet abban, hogy mennyivel nőtt, de a leggyakrabban közölt számítások azt mutatják, hogy a kozmosz terét több mint 10 30-szorosra lehetett felfújni. A tudományos fizikus ismert népszerűsítője, Brian Greene akár 10 100-szoros bővülésről is beszél. Egyébként csak ezeket a minimális értékek meghaladják a kozmosz növekedési ütemét a következő 13,7 milliárd évben! És ami még rosszabbá teszi, az egész folyamat hihetetlenül rövid időbe telt - körülbelül 10-35 másodpercig. Tehát az univerzum a fénysebesség sokszorosával nőtt. 1
Inflációs mező?
Az egész folyamat közvetlenül az Ősrobbanás után zajlott le, valószínűleg akkor, amikor az univerzum 10-33 másodpercig "régi" volt.
Az infláció okáról egyelőre csak találgatások folynak. Egyes fizikusok úgy vélik, hogy a terjeszkedést a Higgs-bozonok okozták. Mások a húrelméletben vagy a kvantumgravitációban keresnek magyarázatokat. Úgy tűnik, hogy a Higgs mező a legesélyesebb jelölt. Inflaton mezőnek is nevezik. Mint minden más mező, ez is bizonyos kvantumrészecskékből állt. Például az elektromágneses mező, vagy akár a fény fotont alkot. 2 Infláció esetén ez egy hipotetikus struktúra lenne, az infláció.
Kiderült, hogy az inflaton mezőnek magában a tér tulajdonságát kell képviselnie, az ún vákuumenergia. Tulajdonságaival hasonlít a sötét energiához, amely ma is kozmikus terjeszkedést hajt végre, bár lassabb ütemben - de az inflatonmező legalább 10 100-szor erősebb volt.
Hogy a világegyetem felfújt
De nemcsak az inflációs mező kérdése marad megválaszolatlan. Ma is sok kérdés kapcsolódik az inflációelmélethez. Hol származott például az energia abból, hogy képes volt ekkora térbővítést kiváltani, és miért nem szabadult fel előbb vagy utóbb, hanem éppen az ősrobbanás után?
Alan Guth magyarázatot keresett a kvantummechanikában, konkrétan a kvantumalagútban. A testek spontán áthaladása egy látszólag áthidalhatatlan gáton. De mint minden a kvantummechanikában, itt sem lehet meghatározni, hogy mikor kezdődik egy folyamat, csak bizonyos valószínűség van. Szerencsére csak atomszinten zajlik. És az univerzum nem volt nagyobb, csak létrehozása után. Ezért rendkívül meleg volt, a hőmérséklet óriási értékeket ért el, 10 32 ° C körül.
Mindez az energia benne volt az inflaton mezőben. De ahogy a tér nőtt, lassan lehűlt, és energiája is csökkent. Az inflációs mezőnek ezért alacsonyabb energiaállapotba kellett kerülnie. (A természetben az egyik alapelv az, hogy az objektumok mindig a lehető legalacsonyabb energiával ereszkednek a helyzetbe.) Alan Guth szerint a Higgs-mező nem erre az állapotra ment át sima átmenetben, mint amikor egy izzó test lehűl, de "alagút" volt benne. Tehát ugrással változtatta meg a hőmérsékletét. Ezzel egy időben felszabadult az energia, amely elindította az infláció folyamatát.
De Guth helyesen feltételezte, hogy az átmenet nem történhetett meg egyszerre. Ilyen például a radioaktív bomlás, amelyet szintén az alagútfúrás okoz. (A radioaktív sugárzást képező részecskék leküzdik az atomok belsejében lévő kötések energetikai akadályait. A részecskék elvesztése miatt az adott atom egy másik izotópja ugyanazon vagy akár egy másik elemnek.) A radioaktív anyagból készült tárgy nem változtatja meg teljes térfogatát egy másik elemmé, de csak egy bizonyos része. Hasonlóképpen, a tágulás külön-külön, különböző helyeken történne, aminek következtében a tér nem növekszik egyenletesen, hanem valamiféle táguló buborékok keletkeznek. Ezeket elméletileg nagyobb egységekké lehetne egyesíteni, de a létrejövő univerzumnak jelentősen eltérő régiói lennének. De a megfigyelések pont az ellenkezőjét mutatják.
Új forgatókönyv
A problémát Andrej Linde és önállóan Paul Steinhardt oldotta meg Andreas Albrechttel együtt. 1982-ben bemutatták az ún egy új inflációs forgatókönyv, amely szerint az inflációt hajtó energiát nem kvantumalagút szabadította fel, hanem fokozatosan. Ennek eredményeként a tér minden helyen azonos ütemben bővült, homogénné téve a jelenlegi világegyetemet.
A terület növelése azonban a hőmérséklet csökkenéséhez vezet. Az inflációs szakaszban nem ez történt, ami hatással volt a Higgs-mezőre. Ez a fázisátalakulás során fokozatosan kvark-gluon plazmává változott, amíg az infláció 10-32 másodpercen belül megszűnt. (A fázisátmenet az egyik termodinamikai állapotból a másikba történő változás, kivéve az állapotváltást szilárdból folyadékba vagy fordítva.) A kozmikus teret így rendkívül forró anyag töltötte meg, amely szabad kvarkokat és számos más elemi részecskét tartalmazott. A magas hőmérséklet miatt azonban nem tudtak összetettebb szerkezetekké egyesülni. Az első protonok és neutronok kialakulása az ősrobbanás után körülbelül egymillió másodperccel történt, amikor az univerzum "elfogadhatóbb" 10 milliárd fokosra hűlt. De a legegyszerűbb atomok csak akkor kezdtek kialakulni, ha három percig "öreg" volt.
Az ősrobbanás elmélete azt is mutatja, hogy a kozmosz kaotikus hely volt, az infláció korszaka előtt kifejezetten görbe téridővel. Az univerzumot abban az időben betöltő anyag elképzelhetetlenül forró és elképzelhetetlenül sűrű volt. Gravitációs módon deformálta a környezetét. A speciális relativitáselmélet szerint a téridő szerkezete tehát egy vitorlához hasonlított, amely meghajlik, amikor súlyt helyezünk rá.
Később, amikor az infláció tágulása jelentősen "hígította" a tömeget, a tér-idő alakváltozásait nagyrészt kompenzálták. De nem teljesen. Szubatomi szinten enyhe kvantumingadozások vannak. Szubatomi szinten pedig az akkori egész univerzum volt. Az infláció ezeket az ingadozásokat az univerzummal megdimenziókra fújta. Az eredmény a kozmosz későbbi szerkezetének csírája volt. Nagyobb tömegkoncentrációjú helyek, ahol a következő időszakban egyre több részecske halmozódott fel, évmilliárdok alatt képezték az első galaxisokat.
Hiányok a bizonyítékokkal szemben
A legtöbb fizikus ma elfogadja a kozmikus inflációt. Annak ellenére, hogy ez a kozmológiai modell számos megoldást kínál, nem szabad megfeledkezni arról, hogy ez nincs teljesen megerősítve. A jelenlegi fizikai egyenletek egyszerűen nem elegendőek az ősrobbanás után uralkodó szélsőséges körülmények leírására. Ezért nem mindenki fogadta el ezt a koncepciót. Roger Penrose fizikus nagy ellenféllé vált, amely szerint egy hasonló folyamat megköveteli a kezdeti feltételek nagyon pontos hangolását. Még Paul Steinhardt, az elmélet egyik megalkotója is elismeri, hogy a világegyetem elméletileg infláció nélkül is elérheti jelenlegi állapotát.
Az infláció lehetőségét véletlenszerű kezdeti körülményekből és az űrfejlődés más szakaszaiban is jelenleg vizsgálják. Valamiféle örökös inflációt is fontolgatnak, amely helyi szinten megszűnik egy inflációs multuniverzum megjelenésével.
De bármennyire is furcsának tűnik az inflációs elmélet első pillantásra, sok bizonyíték áll mellette. Valószínűleg a legfontosabb megállapítást a WMAP szonda és később a Planck adta. Mindkettő a kozmikus mikrohullámú hátteret vizsgálta. Ez sugárzás az Órobbanás utáni 380 000 éves periódusból származik. Kép megállapításai megerősítette az inflációs hipotézisből fakadó jóslatokat - a képek egyértelműen mutatják, hogy az univerzumban mindenütt körülbelül ugyanolyan hőmérséklet volt. Ugyanakkor az inflációs elmélettel összhangban kissé melegebb, nagyobb sűrűségű régiókat tartalmazott, amelyekből végül galaxisok képződtek.
Megjegyzések
1. A hipotézis nem sérti a fénysebesség szabályát - 300 000 km/s, mint a megengedett legnagyobb érték. A megadott szám csak a részecskék téren belüli mozgására vonatkozik, de nem magára a tér bővítésére, amely nem egyetlen entitás rovására megy végbe.
2. Jobban mondva: a kísérletek és a kvantumelmélet azt mutatják, hogy az elektromágneses mezőnek egy szakaszos szerkezete van, amelyet valamiféle energiacsomagok alkotnak, amelyek ebben az esetben fotonok.
Források és internetes linkek a témával kapcsolatos további olvasáshoz
Brian Greene - Az univerzum szerkezete (idő, tér és a valóság természete), Paseka (2012)
Paul J. Steinhardt és Neil Turok - Kezdet és vég nélkül (az Univerzum új története), Paseka (2009)