Η ιδέα του πληθωρισμού – μια εκθετική διαστολή του σύμπαντος στις πρώτες στιγμές της ύπαρξής του – δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά το 1981, εισάγοντας νέες ιδέες από τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων στη θεωρητική κοσμολογία.
Πριν από 30 χρόνια, ένα άρθρο στο Physical Review D άλλαξε το τρόπο της επιστημονικής σκέψης σχετικά με την προέλευση του σύμπαντος. Με νέες ιδέες από την φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων το άρθρο έδειχνε για πρώτη φορά ότι το σύμπαν πέρασε από μια φάση πάρα πολύ γρήγορης διαστολής στα πρώτα κλάσματα των δευτερολέπτων της ύπαρξής του.
Αυτό το επεισόδιο πληθωρισμού όπως ονομάστηκε, μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν έχει την παρατηρούμενη πυκνότητα και ομοιομορφία. Ο πληθωρισμός όχι μόνο έγινε το κεντρικό αξίωμα της κοσμολογίας, αλλά επίσης χρησιμοποιήθηκε από φιλόδοξους θεωρητικούς φυσικούς για άντληση γνώσεων σχετικά με τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.
Στη δεκαετία του 1970 οι θεωρητικοί των στοιχειωδών σωματιδίων έχτιζαν τις Μεγάλες Θεωρίες Ενοποίησης (GUTs), σύμφωνα με τις οποίες σε θερμοκρασίες ή σε ενέργειες πάνω από περίπου 10 στην 15 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (GeV), η ηλεκτρομαγνητική δύναμη , η ισχυρή και η ασθενής πυρηνική δύναμη ήταν ταυτόσημες. Στα πρότυπα της μεγάλης έκρηξης όταν δημιουργήθηκε το σύμπαν ήταν αρκετά θερμό έτσι ώστε οι δυνάμεις να είναι ενοποιημένες. Στη συνέχεια στην κοσμική ηλικία των 10 εις την (-35) δευτερολέπτων, η ισχυρή δύναμη διαχωρίστηκε από την ακόμη ενοποιημένη ηλεκτρασθενή δύναμη. Μια αναπάντεχη συνέπεια αυτής της μετάβασης ήταν ότι απαιτούσε την δημιουργία άφθονων μαγνητικών μονόπολων (απομονωμένους βόρειους ή νότιους μαγνητικούς πόλους) – οι οποίοι παρά τις επίμονες προσπάθειες των πειραματικών δεν παρατηρήθηκαν ποτέ.
Δυο φαινομενικά άσχετα προβλήματα υπήρχαν επίσης εκείνη την εποχή στην κοσμολογία. Πρώτον το πρόβλημα της ομοιογένειας: το σύμπαν επεκτάθηκε τόσο γρήγορα ώστε δεν υπήρχε ο χρόνος όλες οι περιοχές που παρατηρούνται σήμερα να εξισώσουν τις θερμοκρασίες και τις πυκνότητές τους, μέσω ανταλλαγής ύλης και ενέργειας. Γιατί τότε το σύμπαν φαίνεται (περισσότερο ή λιγότερο) ίδιο παντού προς όλες τις κατευθύνσεις;
Ο δεύτερος γρίφος ήταν ότι το σύμπαν φαίνεται να είναι σχεδόν “επίπεδο” - για αποστάσεις μεγάλης κλίμακας ο χωρόχρονος έχει ελάχιστη ή καθόλου καμπυλότητα. Όμως στα καθιερωμένα κοσμολογικά πρότυπα κάθε σύμπαν που ξεκινά με έστω και ελάχιστη καμπυλότητα, θετική ή αρνητική, αποκλίνει από την “επιπεδότητα” καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Ένα σύμπαν που είναι σχεδόν επίπεδο μετά από δέκα δισεκατομμύρια χρόνια είναι σαν ένα μολύβι που ισορροπεί κατακόρυφα στη μύτη του για αιώνες.
Στα τέλη του 1979, ο Alan Guth, τότε ήταν στο SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) στην Καλιφόρνια, συνειδητοποίησε ότι μια λύση το πρόβλημα των μονοπόλων που είχε επεξεργαστεί με ένα συνάδελφό του [1] θα μπορούσε να λύσει αυτά τα δυο μεγάλα προβλήματα. Στην λύση εμπλεκόταν ένα στοιχείο των GUTs, γνωστό ως πεδίο Higgs, το οποίο υποτίθεται ότι διαποτίζει όλο το χώρο. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, η ισχυρή δύναμη διαχωρίζεται από τις υπόλοιπες όταν το πεδίο Higgs μεταβάλλεται από μια τιμή σε μια άλλη. Για να λύσουν το πρόβλημα των μονοπόλων, ο Guth και ο Henry Tye, και οι δυο στο Πανεπιστήμιο του Cornell το προηγούμενο έτος, υπέθεσαν ότι το πεδίο Higgs δεν μεταβάλλεται αμέσως, αλλά για κάποιο χρονικό διάστημα παγιδεύεται σε λάθος τιμή. Είναι σαν μια μπάλα που παγιδεύεται σε ένα βαθούλωμα στην κορυφή ενός λόφου που την εμποδίζει αν κατρακυλίσει παρακάτω προς την κοιλάδα. Η καθυστερημένη μετάβαση Higgs σημαίνει μικρότερη παραγωγή μονοπόλων. Ο Guth άρχισε να προβληματίζεται για το τι σημαίνει η καθυστερημένη μετάβαση για την κοσμική διαστολή. Όταν το πεδίο Higgs είχε κολλήσει στη λάθος τιμή, κυριάρχησε στην ενέργεια του σύμπαντος, με την παράξενη ιδιότητα να κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται εκθετικά με το χρόνο, σε αντίθεση με τη συνήθη αργή διαστολή ενός σύμπαντος που είναι γεμάτο από τη συνήθη ύλη και ακτινοβολία.
Ο “πληθωρισμός” όπως ονομάζει ο Guth αυτή την εκθετική διαστολή, λύνει το πρόβλημα της ομοιομορφίας διότι παίρνει ένα κομμάτι του πρώιμου σύμπαντος αρκετά μικρό ώστε να έχει εξομαλυνθεί με τις εσωτερικές διαδικασίες και με την εκθετική διαστολή να γίνει τόσο μεγάλο όσο βλέπουμε σήμερα. Ταυτόχρονα έδειξε ότι ο πληθωρισμός ωθεί το σύμπαν όλο και πιο κοντά στην τέλεια επιπεδότητα καθώς η διαστολή συνεχίζεται. Στο άρθρο του ο Guth παραδέχθηκε ένα σοβαρό πρόβλημα στο μοντέλο του. Τo πεδίο Higgs δεν έχει ολοκληρώσει τη μετάβασή του σε κάθε περιοχή του χώρου, αφήνοντας ένα ανομοιογενές σύμπαν που δεν μοιάζει καθόλου με το σύμπαν που γνωρίζουμε. Όμως, ένα χρόνο μετά, άλλοι θεωρητικοί βρήκαν τρόπους να διορθώσουν τη θεωρία και να απαλείψουν το πρόβλημα. [2].
Ο Rocky Kolb, τώρα στο Πανεπιστήμιο του Σικαγο, λέει ότι από τότε νέοι φυσικοί σωματιδίων άρχισαν να ενδιαφέρονται για την κοσμολογία, αλλά στον ίδιο το πρόβλημα των μαγνητικών μονόπολων του φαινόταν ως το πιο σημαντικό από τα άλλα κοσμικά προβλήματα. “Δεν είχαμε καταλάβει ότι ο πληθωρισμός θα γινόταν η ισχυρή ιδέα που κατέληξε να είναι σήμερα. Τώρα ο πληθωρισμός είναι πανταχού παρών στην κοσμολογία και υπόσχεται να να εξηγήσει πολλά ακόμη, συμπεριλαμβανομένης της προέλευσης δομών, όπως είναι οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών.
David Lindley - focus.aps.org/
Αναφορές
[1] A. H. Guth and S.-H. H. Tye, "Phase Transitions and Magnetic Monopole Production in the Very Early Universe," Phys. Rev. Lett. 44, 631 (1980).
[2] Andreas Albrecht and Paul J. Steinhardt, "Cosmology for Grand Unified Theories with Radiatively Induced Symmetry Breaking," Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982); A. D. Linde, "A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution of the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy, and Primordial Monopole Problems," Phys. Lett. B108 389 (1982).
Αυτό το επεισόδιο πληθωρισμού όπως ονομάστηκε, μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν έχει την παρατηρούμενη πυκνότητα και ομοιομορφία. Ο πληθωρισμός όχι μόνο έγινε το κεντρικό αξίωμα της κοσμολογίας, αλλά επίσης χρησιμοποιήθηκε από φιλόδοξους θεωρητικούς φυσικούς για άντληση γνώσεων σχετικά με τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.
Στη δεκαετία του 1970 οι θεωρητικοί των στοιχειωδών σωματιδίων έχτιζαν τις Μεγάλες Θεωρίες Ενοποίησης (GUTs), σύμφωνα με τις οποίες σε θερμοκρασίες ή σε ενέργειες πάνω από περίπου 10 στην 15 δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (GeV), η ηλεκτρομαγνητική δύναμη , η ισχυρή και η ασθενής πυρηνική δύναμη ήταν ταυτόσημες. Στα πρότυπα της μεγάλης έκρηξης όταν δημιουργήθηκε το σύμπαν ήταν αρκετά θερμό έτσι ώστε οι δυνάμεις να είναι ενοποιημένες. Στη συνέχεια στην κοσμική ηλικία των 10 εις την (-35) δευτερολέπτων, η ισχυρή δύναμη διαχωρίστηκε από την ακόμη ενοποιημένη ηλεκτρασθενή δύναμη. Μια αναπάντεχη συνέπεια αυτής της μετάβασης ήταν ότι απαιτούσε την δημιουργία άφθονων μαγνητικών μονόπολων (απομονωμένους βόρειους ή νότιους μαγνητικούς πόλους) – οι οποίοι παρά τις επίμονες προσπάθειες των πειραματικών δεν παρατηρήθηκαν ποτέ.
Δυο φαινομενικά άσχετα προβλήματα υπήρχαν επίσης εκείνη την εποχή στην κοσμολογία. Πρώτον το πρόβλημα της ομοιογένειας: το σύμπαν επεκτάθηκε τόσο γρήγορα ώστε δεν υπήρχε ο χρόνος όλες οι περιοχές που παρατηρούνται σήμερα να εξισώσουν τις θερμοκρασίες και τις πυκνότητές τους, μέσω ανταλλαγής ύλης και ενέργειας. Γιατί τότε το σύμπαν φαίνεται (περισσότερο ή λιγότερο) ίδιο παντού προς όλες τις κατευθύνσεις;
Ο δεύτερος γρίφος ήταν ότι το σύμπαν φαίνεται να είναι σχεδόν “επίπεδο” - για αποστάσεις μεγάλης κλίμακας ο χωρόχρονος έχει ελάχιστη ή καθόλου καμπυλότητα. Όμως στα καθιερωμένα κοσμολογικά πρότυπα κάθε σύμπαν που ξεκινά με έστω και ελάχιστη καμπυλότητα, θετική ή αρνητική, αποκλίνει από την “επιπεδότητα” καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Ένα σύμπαν που είναι σχεδόν επίπεδο μετά από δέκα δισεκατομμύρια χρόνια είναι σαν ένα μολύβι που ισορροπεί κατακόρυφα στη μύτη του για αιώνες.
Στα τέλη του 1979, ο Alan Guth, τότε ήταν στο SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) στην Καλιφόρνια, συνειδητοποίησε ότι μια λύση το πρόβλημα των μονοπόλων που είχε επεξεργαστεί με ένα συνάδελφό του [1] θα μπορούσε να λύσει αυτά τα δυο μεγάλα προβλήματα. Στην λύση εμπλεκόταν ένα στοιχείο των GUTs, γνωστό ως πεδίο Higgs, το οποίο υποτίθεται ότι διαποτίζει όλο το χώρο. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, η ισχυρή δύναμη διαχωρίζεται από τις υπόλοιπες όταν το πεδίο Higgs μεταβάλλεται από μια τιμή σε μια άλλη. Για να λύσουν το πρόβλημα των μονοπόλων, ο Guth και ο Henry Tye, και οι δυο στο Πανεπιστήμιο του Cornell το προηγούμενο έτος, υπέθεσαν ότι το πεδίο Higgs δεν μεταβάλλεται αμέσως, αλλά για κάποιο χρονικό διάστημα παγιδεύεται σε λάθος τιμή. Είναι σαν μια μπάλα που παγιδεύεται σε ένα βαθούλωμα στην κορυφή ενός λόφου που την εμποδίζει αν κατρακυλίσει παρακάτω προς την κοιλάδα. Η καθυστερημένη μετάβαση Higgs σημαίνει μικρότερη παραγωγή μονοπόλων. Ο Guth άρχισε να προβληματίζεται για το τι σημαίνει η καθυστερημένη μετάβαση για την κοσμική διαστολή. Όταν το πεδίο Higgs είχε κολλήσει στη λάθος τιμή, κυριάρχησε στην ενέργεια του σύμπαντος, με την παράξενη ιδιότητα να κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται εκθετικά με το χρόνο, σε αντίθεση με τη συνήθη αργή διαστολή ενός σύμπαντος που είναι γεμάτο από τη συνήθη ύλη και ακτινοβολία.
Ο “πληθωρισμός” όπως ονομάζει ο Guth αυτή την εκθετική διαστολή, λύνει το πρόβλημα της ομοιομορφίας διότι παίρνει ένα κομμάτι του πρώιμου σύμπαντος αρκετά μικρό ώστε να έχει εξομαλυνθεί με τις εσωτερικές διαδικασίες και με την εκθετική διαστολή να γίνει τόσο μεγάλο όσο βλέπουμε σήμερα. Ταυτόχρονα έδειξε ότι ο πληθωρισμός ωθεί το σύμπαν όλο και πιο κοντά στην τέλεια επιπεδότητα καθώς η διαστολή συνεχίζεται. Στο άρθρο του ο Guth παραδέχθηκε ένα σοβαρό πρόβλημα στο μοντέλο του. Τo πεδίο Higgs δεν έχει ολοκληρώσει τη μετάβασή του σε κάθε περιοχή του χώρου, αφήνοντας ένα ανομοιογενές σύμπαν που δεν μοιάζει καθόλου με το σύμπαν που γνωρίζουμε. Όμως, ένα χρόνο μετά, άλλοι θεωρητικοί βρήκαν τρόπους να διορθώσουν τη θεωρία και να απαλείψουν το πρόβλημα. [2].
Ο Rocky Kolb, τώρα στο Πανεπιστήμιο του Σικαγο, λέει ότι από τότε νέοι φυσικοί σωματιδίων άρχισαν να ενδιαφέρονται για την κοσμολογία, αλλά στον ίδιο το πρόβλημα των μαγνητικών μονόπολων του φαινόταν ως το πιο σημαντικό από τα άλλα κοσμικά προβλήματα. “Δεν είχαμε καταλάβει ότι ο πληθωρισμός θα γινόταν η ισχυρή ιδέα που κατέληξε να είναι σήμερα. Τώρα ο πληθωρισμός είναι πανταχού παρών στην κοσμολογία και υπόσχεται να να εξηγήσει πολλά ακόμη, συμπεριλαμβανομένης της προέλευσης δομών, όπως είναι οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών.
David Lindley - focus.aps.org/
Αναφορές
[1] A. H. Guth and S.-H. H. Tye, "Phase Transitions and Magnetic Monopole Production in the Very Early Universe," Phys. Rev. Lett. 44, 631 (1980).
[2] Andreas Albrecht and Paul J. Steinhardt, "Cosmology for Grand Unified Theories with Radiatively Induced Symmetry Breaking," Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982); A. D. Linde, "A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution of the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy, and Primordial Monopole Problems," Phys. Lett. B108 389 (1982).
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου