Teória inflácie spája nápady z kvantová fyzika a časticová fyzika preskúmať veľké počiatočné momenty vesmíru po veľkom tresku. Podľa teórie inflácie bol vesmír vytvorený v nestabilnom energetickom stave, ktorý v jeho skorých okamihoch prinútil rýchlu expanziu vesmíru. Jedným z dôsledkov je, že vesmír je výrazne väčší, ako sa očakávalo, oveľa väčší, ako je veľkosť, ktorú môžeme pozorovať na našich ďalekohľadoch. Ďalším dôsledkom je, že táto teória predpovedá niektoré črty - napríklad rovnomerné rozloženie energie a plochú geometriu vesmírny čas- ktoré neboli predtým vysvetlené v rámci teória veľkého tresku.
Teória inflácie, ktorá bola vyvinutá v roku 1980 fyzikom častíc Alan Guth, je dnes všeobecne považovaná za všeobecne akceptovanú súčasť veľkej teória tresku, aj keď ústredné myšlienky teórie tresku boli dobre zavedené roky pred vývojom inflácie teórie.
Počiatky teórie inflácie
teória veľkého tresku sa v priebehu rokov ukázala ako celkom úspešná, najmä bola potvrdená objavom žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia (CMB). Napriek veľkému úspechu teórie vysvetliť väčšinu aspektov vesmíru, ktoré sme videli, zostali tri hlavné problémy:
- Problém homogenity (alebo: „Prečo bol vesmír tak neuveriteľne jednotný len jednu sekundu po veľkom tresku ?;“, ako sa uvádza otázka Nekonečný vesmír: Za veľkým treskom)
- Problém rovinnosti
- Predpokladaná nadprodukcia magnetické monopoly
Zdalo sa, že model s veľkým treskom predpovedal zakrivený vesmír, v ktorom energia nebola distribuovaná vôbec rovnomerne a v ktorej bolo veľa magnetických monopolov, z ktorých žiaden nezodpovedal dôkazom.
Časticový fyzik Alan Guth sa prvýkrát dozvedel o probléme plochosti v prednáške na Cornellovej univerzite v roku 1978 Roberta Dickeho. V nasledujúcich rokoch Guth aplikoval koncepcie z fyziky častíc na situáciu a vyvinul inflačný model raného vesmíru.
Guth prezentoval svoje zistenia na prednáške 23. januára 1980 v Stanfordovom lineárnom akcelerátorovom stredisku. Jeho revolučnou myšlienkou bolo, že princípy kvantovej fyziky v jadre časticovej fyziky sa dajú aplikovať na počiatočné okamihy tvorby veľkého tresku. Vesmír by bol vytvorený s vysokou hustotou energie. Termodynamika diktuje, že hustota vesmíru by ju prinútila extrémne rýchlo expandovať.
Pre tých, ktorí sa zaujímajú podrobnejšie, by bol vesmír v podstate vytvorený v „falošnom vákuu“ s Higgsovým mechanizmom vypnutým (alebo, inak povedané, Higgsov bozón neexistoval). Prešlo by procesom podchladenia a hľadalo by stabilný stav s nižšou spotrebou energie („skutočné vákuum“, v ktorom Higgsov mechanizmus sa zapol) a práve tento proces podchladenia riadil inflačné obdobie rýchlo expanziu.
Ako rýchlo? Veľkosť vesmíru by sa každých 10 rokov zdvojnásobila-35 sekúnd. Do 10-30 sekundy by sa vesmír zdvojnásobil na 100 000 krát, čo je viac ako dostatočné rozšírenie na vysvetlenie problému plochosti. Aj keď vesmír mal zakrivenie, keď sa to začalo, takáto veľká expanzia by spôsobila, že sa dnes zdá byt plochý. (Zvážte, že veľkosť Zeme je dosť veľká na to, aby sa nám zdala byt rovná, aj keď vieme, že povrch, na ktorom stojíme, je zakrivený mimo gule.)
Podobne je energia rozložená rovnomerne, pretože keď to začalo, boli sme veľmi malou časťou vesmíru a tou časťou vesmír sa rozšíril tak rýchlo, že keby existovali nejaké veľké nerovnomerné distribúcie energie, boli by pre nás príliš ďaleko, aby sme vnímať. Toto je riešenie problému homogenity.
Zdokonaľovanie teórie
Problémom s teóriou, pokiaľ to dokázal Guth, bolo to, že akonáhle sa inflácia začne, bude to pokračovať navždy. Zdalo sa, že neexistuje žiadny jasný uzatvárací mechanizmus.
Ak by sa priestor neustále rozširoval týmto tempom, potom by predchádzajúca predstava o ranom vesmíre, ktorú predstavil Sidney Coleman, nefungovala. Coleman predpovedal, že fázové prechody v ranom vesmíre sa uskutočnili vytvorením malých bublín, ktoré sa spojili. Keď bola inflácia na mieste, malé bubliny sa od seba vzdialili príliš rýchlo na to, aby sa spojili.
Ruský fyzik Andre Linde, fascinovaný vyhliadkou, napadol tento problém a uvedomil si, že existuje iný výklad, ktorý sa o tento problém postaral, zatiaľ čo na tejto strane Železná opona (toto bolo osemdesiate roky, pamätajte) Andreas Albrecht a Paul J. Steinhardt prišiel s podobným riešením.
Tento novší variant teórie je ten, ktorý skutočne získal trakciu počas osemdesiatych rokov a nakoniec sa stal súčasťou zavedenej teórie veľkého tresku.
Iné mená pre teóriu inflácie
Teória inflácie obsahuje niekoľko ďalších mien, medzi ktoré patria:
- kozmologická inflácia
- kozmická inflácia
- inflácie
- stará inflácia (Guthova pôvodná verzia teórie z roku 1980)
- nová teória inflácie (názov verzie s opravou problému s bublinami)
- pomalá inflácia (názov verzie s opraveným problémom s bublinami)
Existujú tiež dva úzko súvisiace varianty teórie, chaotická inflácia a večná inflácia, ktoré majú niektoré menšie rozdiely. V týchto teóriách sa inflačný mechanizmus nestal len bezprostredne po veľkom tresku, ale skôr sa opakoval v rôznych oblastiach vesmíru po celú dobu. Predstavujú rýchlo sa znásobujúci počet „bublinových vesmírov“ ako súčasť multiverza. Niektorí fyzici poukazujú na to, že tieto predpovede sú prítomné v všetko verzie teórie inflácie, takže ich v skutočnosti nepovažujte za odlišné teórie.
Ako kvantová teória existuje teória inflácie v teréne. V tomto prístupe je hnacím mechanizmom inflatónové pole alebo častice inflatónu.
Poznámka: Zatiaľ čo koncept temná energia v modernej kozmologickej teórii tiež urýchľuje rozširovanie vesmíru, zdá sa, že zapojené mechanizmy sú veľmi odlišné od mechanizmov zapojených do teórie inflácie. Jednou z oblastí záujmu kozmológov je spôsob, akým by teória inflácie mohla viesť k nahliadnutiu do temnej energie alebo naopak.