Tot onze grote spijt hebben we niet de gelegenheid om de tijd terug te spoelen en te zien hoe het universum zich in de eerste minuten van zijn leven ontwikkelde. Met behulp van wiskunde en observatiegegevens bouwen de beste geesten op de planeet de meest gewaagde modellen. Een daarvan is kosmische inflatie.
De inflatoire theorie, of het inflatoire model van het universum, combineert ideeën uit de kwantumfysica en deeltjesfysica om de vroege momenten van het universum vlak na de oerknal te onderzoeken. Volgens haar werd het universum in een zeer onstabiele staat gevormd, wat zijn snelle expansie in de allereerste momenten veroorzaakte. Een van de gevolgen van deze uitbreiding is dat het universum veel groter is dan aanvankelijk werd verwacht, en veel verder reikt dan onze telescopen kunnen zien. Bovendien voorspelt deze theorie enkele eigenschappen die niet worden verklaard in het kader van de Big Bang-theorie, zoals uniforme energieverdeling en vlakke ruimte-tijd geometrie.
De theorie van een inflatoir universum werd in 1980 ontwikkeld door natuurkundige Alan Guth. Tegenwoordig wordt het beschouwd als een algemeen aanvaard onderdeel van de oerknaltheorie, hoewel de centrale ideeën van de laatste veel eerder werden vastgesteld dan de inflatoire theorie werd geformuleerd.
Hoe het allemaal begon
De oerknaltheorie is in de loop der jaren zeer succesvol gebleken, vooral omdat ze werd bevestigd door de ontdekking van de achtergrondstraling (microgolfachtergrond). Ondanks het grote succes van deze theorie bij het verklaren van de meeste aspecten die in het universum worden waargenomen, bleven er echter drie problemen over:
Het Big Bang-model leek een gekromd universum te voorspellen waarin energie ongelijk verdeeld was en waarin veel magnetische monopolen waren. Dit kwam echter niet overeen met de gegevens.
Alan Guth / Annette Boutellier.
Natuurkundige Alan Guth hoorde voor het eerst over het probleem van vlakheid tijdens een lezing van Robert Dick aan de Cornell University in 1978. In de jaren die volgden, paste Guth concepten uit de deeltjesfysica toe op deze situatie en ontwikkelde hij een inflatoir model van het vroege universum.
Op 23 januari 1980 presenteerde Guth zijn bevindingen in een lezing in het SLAC National Accelerator Laboratory. Zijn revolutionaire idee was dat de principes van de kwantumfysica vanuit het hart van de deeltjesfysica konden worden toegepast op de vroege dagen van de oerknal. Volgens hem had het universum een hoge energiedichtheid moeten hebben. Volgens de thermodynamica had de dichtheid van het universum ervoor moeten zorgen dat het met een ongelooflijke snelheid uitzet.
Volgens het toenmalige nieuwe model had het heelal eigenlijk in een "vals vacuüm" moeten zijn ontstaan en bij afwezigheid van het Higgs-mechanisme (met andere woorden, het Higgs-deeltje bestond niet). Ze moest een proces van onderkoeling doormaken op zoek naar een stabiele lage-energietoestand (het 'echte vacuüm' waarin het Higgs-mechanisme werkt) - en dat was wat een periode van snelle expansie veroorzaakte.
Hoe snel is het? Volgens het model verdubbelde het universum elke 10-35 seconden. Dus in de eerste 10-30 seconden na de oerknal zou het 100 duizend keer in omvang zijn verdubbeld, en dit is meer dan genoeg om het probleem van vlakheid te verklaren. Zelfs als het universum in het begin enige kromming had, zou deze mate van expansie ertoe leiden dat alles er vandaag plat uitziet. (Merk op dat de aarde groot genoeg is om het er plat uit te laten zien, hoewel we weten dat het oppervlak waarop we staan gebogen is om een bolvormig object te vormen.)
De kwantumfluctuaties die optreden tijdens inflatie strekken zich inderdaad uit over het universum. In zijn grootschalige manifestatie leidt inflatie ertoe dat het universum plat wordt en zijn vroege kromming verliest / E. Siegel / Beyond the Galaxy.
Bovendien wordt de energie zo gelijkmatig verdeeld omdat we in het begin een heel klein deel van het heelal waren, dat zo snel uitbreidde dat zelfs als er significante onregelmatigheden in de energieverdeling waren, ze te ver van ons zouden zijn verwijderd. had ze kunnen opmerken of voelen. Dit dient op zijn beurt als een oplossing voor het homogeniteitsprobleem.
Ontwikkeling van theorie
Volgens Alan Guth zelf was het probleem met de theorie dat zodra de inflatie begon, deze voor onbepaalde tijd zou moeten doorgaan. Wetenschappers hebben geen enkele aanwijzing gezien voor een duidelijk mechanisme om dit proces "uit te schakelen".
En als de ruimte zich voortdurend in dit tempo uitbreidt, zou het eerder door Sidney Coleman geuite idee niet hebben gewerkt. Coleman voorspelde dat er zich kleine belletjes vormden tijdens faseovergangen in het vroege heelal, die met elkaar versmolten. In aanwezigheid van inflatie zouden de bellen te snel van elkaar af bewegen, zonder tijd te hebben om zich te verenigen.
De Sovjetfysicus Andrei Linde vestigde de aandacht op dit probleem. Hij bestudeerde het en ontdekte dat er een andere interpretatie is die een oplossing biedt voor dit probleem. Tegelijkertijd - het waren nog de jaren tachtig - kwamen Andreas Albrecht en Paul Steinhardt aan de andere kant van het IJzeren Gordijn op eigen houtje tot een soortgelijk besluit.
Andrey Linde / LA Cicero.
Het punt is dat in het oorspronkelijke Guth-model meer dan één inflatoir gebied mocht ontstaan, dat op zijn beurt kon botsen. In dit geval was het resultaat een wanordelijke ruimte, waarin straling en materie een inhomogene dichtheid hebben. Dit kwam helemaal niet overeen met wat er in werkelijkheid werd waargenomen. Linde, Albrecht en Steinhardt veranderden de scalaire veldvergelijking - en het klopte allemaal. Volgens deze oplossing is ons waarneembare universum ontstaan uit een enkele vacuümbel, die zich scheidde van andere opblaasgebieden in de ruimte. Het gaat over onvoorstelbare - naar alle maatstaven - enorme afstanden.
Zo'n andere inflatie theorie
De inflatoire theorie heeft verschillende namen. Bijvoorbeeld kosmologische inflatie, kosmische inflatie, inflatie, oude inflatie (zoals de originele versie van de theorie van Alan Guth wordt genoemd), nieuwe inflatoire theorie (het model ontwikkeld door Linde, Albrecht en Steinhardt).
Er zijn ook twee dichte versies van de theorie: de chaotische theorie van inflatie en eeuwige inflatie. In deze theorieën gebeurde het opblaasmechanisme niet één keer - direct na de oerknal - maar het gebeurt keer op keer in verschillende delen van de ruimte. Deze modellen gaan uit van een snel groeiend aantal "bellen-universums" die deel uitmaken van het Multiversum, of Multiversum. Sommige natuurkundigen merken op dat deze voorspellingen in alle versies van het inflatoire model van het universum aanwezig zijn en beschouwen ze daarom niet als verschillende theorieën.
Vladimir Guillen
