תורת האינפלציה מפגיש רעיונות מ פיזיקה קוונטית ו פיזיקת החלקיקים לחקור את הרגעים הראשונים של היקום, בעקבות המפץ הגדול. על פי תורת האינפלציה היקום נוצר במצב אנרגיה לא יציב, מה שאילץ התפשטות מהירה של היקום ברגעיו הראשונים. תוצאה אחת היא שהיקום גדול בהרבה מהצפוי, גדול בהרבה מהגודל שאנחנו יכולים לצפות באמצעות הטלסקופים שלנו. תוצאה נוספת היא שתיאוריה זו מנבאת תכונות מסוימות - כמו התפלגות האנרגיה האחידה והגיאומטריה השטוחה של זמן חופשי- דבר שלא הוסבר בעבר במסגרת תאוריית המפץ הגדול.
תיאוריית האינפלציה, שפותחה בשנת 1980 על ידי פיזיקאי החלקיקים אלן גוט, נחשבת בדרך כלל למרכיב מקובל ביותר של תיאוריית המפץ, למרות שהרעיונות המרכזיים של תיאוריית המפץ הגדול התבססו שנים רבות לפני התפתחות האינפלציה תיאוריה.
מקורות תורת האינפלציה
ה תאוריית המפץ הגדול הוכח כמוצלח למדי במהלך השנים, במיוחד לאחר שאושרו באמצעות גילוי קרינת הרקע הקוסמית (CMB). למרות ההצלחה הגדולה של התיאוריה להסביר את מרבית היבטי היקום שראינו, נותרו שלוש בעיות עיקריות:
- בעיית ההומוגניות (או, "מדוע היקום היה כה אחיד להפליא רק שנייה אחרי המפץ הגדול?", כפי שמוצגת השאלה ב- יקום אינסופי: מעבר למפץ הגדול)
- בעיית השטיחות
- ייצור יתר חזוי של מונופולים מגנטיים
נראה כי מודל המפץ הגדול ניבא יקום מעוקל בו האנרגיה לא הופצה כלל באופן שווה, ובה היו המון מונופולים מגנטיים, שאף אחד מהם לא תאם את הראיות.
פיזיקאי החלקיקים אלן גוט נודע לראשונה על בעיית השטיחות בהרצאה משנת 1978 באוניברסיטת קורנל מאת רוברט דיקה. במהלך השנים הבאות, יישם גות מושגים מפיסיקת החלקיקים למצב ופיתח מודל אינפלציה של היקום המוקדם.
גוט הציג את ממצאיו בהרצאה ב- 23 בינואר 1980 במרכז המאיץ לינארי של סטנפורד. הרעיון המהפכני שלו היה שאפשר ליישם את עקרונות הפיזיקה הקוונטית בלב פיזיקת החלקיקים ברגעים הראשונים של יצירת המפץ הגדול. היקום היה נוצר עם צפיפות אנרגיה גבוהה. התרמודינמיקה מכתיבה כי צפיפות היקום הייתה מכריחה אותו להתרחב במהירות רבה.
למי שמעוניין בפירוט רב יותר, בעיקרו של דבר היקום היה נוצר ב"וואקום שקרי "כאשר מנגנון היגס נכבה (או, במילים אחרות, את היגס בוסון לא היה קיים). זה היה עובר תהליך של קירור-על, מחפש מצב יציב באנרגיה נמוכה ("ואקום אמיתי" בו מנגנון היגס נדלק) וזה היה תהליך הקירור העל הזה שגרם לתקופת האינפלציה של המהירות הרחבה.
באיזו מהירות? היקום היה מכפיל את גודלו כל עשר-35 שניות. תוך 10-30 שניות, היקום היה מכפיל את גודלו 100,000 פעמים, וזה יותר ויותר התפשטות בכדי להסביר את בעיית השטיחות. גם אם היקום היה מתעקם כשהוא התחיל, התרחבות רבה זו תגרום לו להיראות שטוח היום. (קחו בחשבון שגודל כדור הארץ גדול מספיק כך שהוא נראה לנו שטוח, למרות שאנחנו יודעים שהמשטח עליו אנו עומדים הוא המעוקל מחוץ לספירה.)
באופן דומה, אנרגיה מופצת בצורה שווה כל כך מכיוון שכשהיא התחילה היינו חלק קטן מאוד ביקום, והחלק הזה של היקום התפשט כל כך מהר שאם היו חלוקות אנרגיה משמעותיות לא אחידות, הם היו רחוקים מכדי שנוכל תופסים. זהו פיתרון לבעיית ההומוגניות.
זיקוק התיאוריה
הבעיה עם התיאוריה, עד כמה שגות יכול היה לדעת, הייתה שברגע שהאינפלציה תימשך לנצח. נראה כי לא קיים שום מנגנון כיבוי ברור.
כמו כן, אם החלל מתרחב כל הזמן בקצב כזה, רעיון קודם על היקום המוקדם, שהוצג על ידי סידני קולמן, לא היה עובד. קולמן ניבא כי מעברי פאזה ביקום המוקדם התרחשו על ידי יצירת בועות קטנטנות שהתלכדו זו בזו. עם האינפלציה במקום, הבועות הזעירות התרחקו זו מזו מהר מדי להתגבר אי פעם.
הפיזיקאי הרוסי אנדרה לינדה, מרותק מהסיכויים, תקף את הבעיה הזו והבין שיש פרשנות אחרת שדאגה לבעיה זו, בעוד בצד זה של מסך הברזל (זה היה שנות השמונים, זכרו) אנדראס אלברכט ופול ג'יי. שטיינהרדט מצא פיתרון דומה.
וריאנט חדש יותר זה של התיאוריה הוא זה שבאמת צבר משיכה לאורך שנות השמונים והפך בסופו של דבר לחלק מתורת המפץ הגדול שהוקם.
שמות אחרים לתורת האינפלציה
תורת האינפלציה מכילה מספר שמות אחרים, כולל:
- אינפלציה קוסמולוגית
- אינפלציה קוסמית
- אינפלציה
- אינפלציה ישנה (גרסתו המקורית של Guth משנת 1980 לתיאוריה)
- תיאוריית אינפלציה חדשה (שם הגרסה עם בעיית הבועה קבועה)
- אינפלציה עם גלגל איטי (שם הגרסה עם בעיית הבועה קבועה)
יש גם שתי גרסאות הקשורות זה לזה של התיאוריה, אינפלציה כאוטית ו אינפלציה נצחיתשיש להם כמה הבחנות קלות. בתיאוריות אלה, מנגנון האינפלציה לא קרה רק פעם אחת מיד אחרי המפץ הגדול, אלא קורה שוב ושוב באזורים שונים במרחב כל הזמן. הם מציבים מספר המתרחש במהירות של "יקומי בועות" כחלק מה- רב-גוניות. חלק מהפיזיקאים מציינים כי התחזיות הללו קיימות את כל גרסאות של תיאוריית האינפלציה, כך שלא באמת רואים בהן תיאוריות מובחנות.
בהיותה תיאוריה קוונטית, יש פירוש שדה של תורת האינפלציה. בגישה זו, מנגנון הנהיגה הוא ה- שדה ניפוח או חלקיק ניפוח.
הערה: ואילו הרעיון של אנרגיה שחורה בתיאוריה הקוסמולוגית המודרנית מאיצה גם את התפשטות היקום, נראה כי המנגנונים המעורבים שונים מאוד מאלו המעורבים בתורת האינפלציה. תחום אחד שמעניין את הקוסמולוגים הוא הדרכים בהן תורת האינפלציה עשויה להוביל לתובנות באנרגיה אפלה, או להפך.