Beschrijving en oorsprong van inflatietheorie

Een tijdlijn van de geschiedenis van het heelal.

NASA / WMAP Wetenschapsteam

Inflatie theorie brengt ideeën samen van kwantumfysica en deeltjesfysica om de vroege momenten van het universum te verkennen, na de oerknal. Volgens de inflatietheorie werd het universum gecreëerd in een onstabiele energietoestand, wat een snelle expansie van het universum in zijn vroege momenten dwong. Een gevolg is dat het heelal veel groter is dan verwacht, veel groter dan de grootte die we met onze telescopen kunnen waarnemen. Een ander gevolg is dat deze theorie enkele eigenschappen voorspelt, zoals de uniforme verdeling van energie en de vlakke geometrie van ruimte tijd —die niet eerder werd toegelicht in het kader van de oerknaltheorie .

De inflatietheorie, die in 1980 werd ontwikkeld door de deeltjesfysicus Alan Guth, wordt tegenwoordig algemeen beschouwd als een algemeen aanvaard onderdeel van de oerknaltheorie, hoewel de centrale ideeën van de oerknaltheorie al jaren vóór de ontwikkeling van de inflatietheorie goed ingeburgerd waren.

De oorsprong van de inflatietheorie

De oerknaltheorie was door de jaren heen behoorlijk succesvol gebleken, vooral omdat dit werd bevestigd door de ontdekking van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) straling. Ondanks het grote succes van de theorie om de meeste aspecten van het universum die we zagen te verklaren, bleven er drie grote problemen over:

• Het homogeniteitsprobleem (of: 'Waarom was het universum slechts één seconde na de oerknal zo ongelooflijk uniform?', zoals de vraag wordt gesteld in Eindeloos universum: voorbij de oerknal )
• Het vlakheidsprobleem
• De voorspelde overproductie van magnetische monopolies

Het oerknalmodel leek een gekromd heelal te voorspellen waarin de energie helemaal niet gelijkmatig verdeeld was, en waarin veel magnetische monopolen waren, waarvan geen enkele overeenkwam met het bewijs.

Deeltjesfysicus Alan Guth hoorde voor het eerst over het vlakheidsprobleem in een lezing in 1978 aan de Cornell University door Robert Dicke. In de daaropvolgende jaren paste Guth concepten uit de deeltjesfysica toe op de situatie en ontwikkelde hij een inflatiemodel van het vroege heelal.

Guth presenteerde zijn bevindingen tijdens een lezing op 23 januari 1980 in het Stanford Linear Accelerator Center. Zijn revolutionaire idee was dat de principes van de kwantumfysica in het hart van de deeltjesfysica kunnen worden toegepast op de vroege momenten van het ontstaan ​​van de oerknal. Het universum zou zijn gemaakt met een hoge energiedichtheid. Thermodynamica dicteert dat de dichtheid van het universum het zou hebben gedwongen om extreem snel uit te breiden.

Voor degenen die geïnteresseerd zijn in meer detail, zou het universum in wezen in een 'vals vacuüm' zijn gecreëerd met het Higgs-mechanisme uitgeschakeld (of, anders gezegd, de Higgs-deeltje bestond niet). Het zou een proces van onderkoeling hebben doorgemaakt, op zoek naar een stabiele lagere energietoestand (een 'echt vacuüm' waarin het Higgs-mechanisme in werking trad), en het was dit onderkoelingsproces dat de inflatoire periode van snelle expansie veroorzaakte.

Hoe snel? Het heelal zou elke 10 . in omvang zijn verdubbeld^-35seconden. Binnen 10^-30seconden zou het heelal 100.000 keer in omvang zijn verdubbeld, wat meer dan genoeg uitdijing is om het vlakheidsprobleem te verklaren. Zelfs als het universum een ​​kromming had toen het begon, zou zoveel expansie ervoor zorgen dat het vandaag plat lijkt. (Bedenk dat de aarde groot genoeg is om ons plat te lijken, ook al weten we dat het oppervlak waarop we staan ​​de gekromde buitenkant van een bol is.)

Evenzo is energie zo gelijkmatig verdeeld, want toen het begon, waren we een heel klein deel van het universum, en dat deel van het universum breidde zo snel uit dat als er grote ongelijke verdelingen van energie zouden zijn, ze te ver weg zouden zijn voor ons om waar te nemen. Dit is een oplossing voor het homogeniteitsprobleem.

De theorie verfijnen

Het probleem met de theorie was, voor zover Guth kon zien, dat als de inflatie eenmaal begon, deze voor altijd zou doorgaan. Er leek geen duidelijk afsluitmechanisme te zijn.

En als de ruimte voortdurend in dit tempo zou uitdijen, zou een eerder idee over het vroege universum, gepresenteerd door Sidney Coleman, niet werken. Coleman had voorspeld dat faseovergangen in het vroege heelal plaatsvonden door het ontstaan ​​van kleine belletjes die samensmolten. Met de inflatie op zijn plaats, bewogen de kleine bubbels te snel van elkaar om ooit samen te smelten.

Gefascineerd door het vooruitzicht viel de Russische natuurkundige Andre Linde dit probleem aan en realiseerde zich dat er een andere interpretatie was die voor dit probleem zorgde, terwijl aan deze kant van de ijzeren gordijn (dit was de jaren 80, weet je nog) Andreas Albrecht en Paul J. Steinhardt kwamen met een soortgelijke oplossing.

Deze nieuwere variant van de theorie is degene die in de jaren tachtig echt aan kracht won en uiteindelijk onderdeel werd van de gevestigde oerknaltheorie.

Andere namen voor inflatietheorie

Inflatietheorie heeft verschillende andere namen, waaronder:

• kosmologische inflatie
• kosmische inflatie
• inflatie
• oude inflatie (Guth's originele 1980-versie van de theorie)
• nieuwe inflatietheorie (de naam voor de versie met het bellenprobleem opgelost)
• slow-roll inflatie (de naam voor de versie met het probleem met de bellen opgelost)

Er zijn ook twee nauw verwante varianten van de theorie, chaotische inflatie en eeuwige inflatie , die enkele kleine verschillen hebben. In deze theorieën vond het inflatiemechanisme niet slechts één keer plaats onmiddellijk na de oerknal, maar gebeurde het steeds opnieuw in verschillende regio's van de ruimte. Ze poneren een snel groeiend aantal 'bubbeluniversums' als onderdeel van de multiversum . Sommige natuurkundigen wijzen erop dat deze voorspellingen aanwezig zijn in allemaal versies van de inflatietheorie, dus beschouw ze niet echt als afzonderlijke theorieën.

Omdat het een kwantumtheorie is, is er een veldinterpretatie van de inflatietheorie. In deze benadering is het aandrijfmechanisme de inflaton veld of inflatondeeltje .

Opmerking: Terwijl het concept van donkere energie in de moderne kosmologische theorie ook de uitdijing van het heelal versnelt, lijken de betrokken mechanismen heel anders te zijn dan die betrokken bij de inflatietheorie. Een interessegebied voor kosmologen is de manier waarop inflatietheorie kan leiden tot inzichten in donkere energie, of omgekeerd.