Вечная инфляция
Вечная инфляция — это гипотетическая модель инфляционной Вселенной , которая сама по себе является развитием или расширением теории Большого взрыва .
Согласно теории вечной инфляции, инфляционная фаза расширения Вселенной длится вечно на большей части Вселенной. Поскольку регионы расширяются экспоненциально быстро, большая часть объема Вселенной в любой момент времени раздувается. Таким образом, вечная инфляция порождает гипотетически бесконечную мультивселенную , в которой лишь незначительный фрактальный объём заканчивает инфляцию.
Пол Стейнхардт , один из первых исследователей инфляционной модели, представил первый пример вечной инфляции в 1983 году: [1] и Александр Виленкин показали, что это родовое явление. [2] [ нужны разъяснения ]
Статья Алана Гута 2007 года «Вечная инфляция и ее последствия» [3] утверждает, что при разумных предположениях «хотя инфляция, как правило, вечна в будущем, она не вечна в прошлом». Гут подробно описал то, что было известно по этому вопросу на тот момент, и продемонстрировал, что вечная инфляция все еще считается вероятным результатом инфляции, спустя более 20 лет после того, как вечная инфляция была впервые представлена Стейнхардтом.
Обзор
[ редактировать ]Развитие теории
[ редактировать ]Инфляция, или теория раздувающейся Вселенной, изначально была разработана как способ преодолеть несколько оставшихся проблем в модели Большого взрыва, которая в противном случае считалась успешной теорией космологии.
В 1979 году Алан Гут представил инфляционную модель Вселенной, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская и однородная (что относится к плавному распределению материи и излучения в больших масштабах). [4] Основная идея заключалась в том, что Вселенная пережила период быстро ускоряющегося расширения через несколько мгновений после Большого взрыва. Он предложил механизм начала инфляции: ложную вакуумную энергию. Гут ввел термин «инфляция» и был первым, кто обсудил эту теорию с другими учеными всего мира.
Первоначальная формулировка Гута была проблематичной, поскольку не существовало последовательного способа положить конец эпохе инфляции и прийти к горячей, изотропной и однородной Вселенной, наблюдаемой сегодня. Хотя ложный вакуум мог распасться на пустые «пузыри» «истинного вакуума», которые расширялись со скоростью света, пустые пузыри не могли объединиться, чтобы разогреть Вселенную, потому что они не могли поспевать за оставшейся раздувающейся Вселенной.
В 1982 году эта « проблема изящного выхода » была независимо решена Андреем Линде , Андреасом Альбрехтом и Полом Дж. Стейнхардтом. [5] который показал, как положить конец инфляции, не создавая при этом пустых пузырей и вместо этого получить горячую расширяющуюся Вселенную. Основная идея заключалась в непрерывном «медленном движении» или медленной эволюции от ложного вакуума к истинному без образования пузырей. Усовершенствованная модель получила название «новая инфляция».
В 1983 году Пол Стейнхардт первым показал, что эта «новая инфляция» не должна заканчиваться повсюду. [1] Вместо этого она может закончиться лишь конечным участком или горячим пузырем, полным материи и радиации, и эта инфляция продолжается в большей части Вселенной, создавая по пути горячий пузырь за горячим. Александр Виленкин показал, что при правильном учете квантовых эффектов это фактически является общим для всех новых моделей инфляции. [2]
Используя идеи Стейнхардта и Виленкина, Андрей Линде в 1986 году опубликовал альтернативную модель инфляции, которая использовала эти идеи для подробного описания того, что стало известно как теория хаотической инфляции или вечной инфляции. [6]
Квантовые флуктуации
[ редактировать ]Новая инфляция не создает идеально симметричную Вселенную из-за квантовых флуктуаций во время инфляции. Флуктуации приводят к тому, что плотность энергии и материи различна в разных точках пространства.
Квантовые флуктуации в гипотетическом поле инфлатона вызывают изменения в скорости расширения, которые ответственны за вечную инфляцию. Регионы с более высоким уровнем инфляции расширяются быстрее и доминируют во Вселенной, несмотря на естественную тенденцию к прекращению инфляции в других регионах. Это позволяет инфляции продолжаться вечно, создавая вечную инфляцию в будущем. В качестве упрощенного примера предположим, что во время инфляции естественная скорость затухания поля инфлатона медленнее по сравнению с эффектом квантовой флуктуации. Когда мини-вселенная раздувается и «самовоспроизводится», скажем, в двадцать причинно-несвязанных мини-вселенных равного размера с исходной мини-вселенной, возможно, девять из новых мини-вселенных будут иметь больший, а не меньший размер. среднее значение поля инфлатона, чем в исходной мини-вселенной, потому что они раздулись из областей исходной мини-вселенной, где квантовая флуктуация увеличила значение инфлатона больше, чем медленная скорость затухания инфляции снизила значение инфлатона. Первоначально существовала одна мини-вселенная с заданным значением инфлатона; теперь существует девять мини-вселенных, которые имеют немного большее значение инфлатона. (Конечно, есть еще одиннадцать мини-вселенных, где значение инфлатона несколько ниже, чем было изначально.) Каждая мини-вселенная с большим значением поля инфлатона перезапускает аналогичный раунд приблизительного самовоспроизведения внутри себя. (Мини-вселенные с более низкими значениями инфлатона также могут воспроизводиться, если только его значение инфлатона не достаточно мало, чтобы регион вышел из инфляции и прекратил самовоспроизведение.) Этот процесс продолжается бесконечно; девять мини-вселенных с высоким уровнем инфляции могут стать 81, а затем 729... Таким образом, существует вечная инфляция. [7]
В 1980 году квантовые флуктуации были предложены Вячеславом Мухановым и Геннадием Чибисовым. [8] [9] в контексте модели модифицированной гравитации Алексея Старобинского [10] быть возможными зародышами для формирования галактик.
В контексте инфляции квантовые флуктуации были впервые проанализированы на трехнедельном семинаре Наффилда по очень ранней Вселенной в 1982 году в Кембриджском университете. [11] Средняя сила колебаний была сначала рассчитана четырьмя группами, работавшими отдельно в ходе семинара: Стивен Хокинг ; [12] Старобинский; [13] Гут и Со-Янг Пи ; [14] и Джеймс М. Бардин , Пол Стейнхардт и Майкл Тернер . [15]
Первые расчеты, сделанные на семинаре в Наффилде, были сосредоточены только на средних колебаниях, величина которых слишком мала, чтобы повлиять на инфляцию. Однако, начиная с примеров, представленных Стейнхардтом [1] и Виленкин, [2] Позже было показано, что та же самая квантовая физика порождает случайные большие флуктуации, которые увеличивают скорость инфляции и поддерживают инфляцию вечно.
Дальнейшие разработки
[ редактировать ]Анализируя данные спутника Planck Satellite за 2013 год, Анна Иджас и Пол Стейнхардт показали, что простейшие инфляционные модели из учебников были исключены, а оставшиеся модели требуют экспоненциально более точно настроенных стартовых условий, большего количества параметров для корректировки и меньшей инфляции. Более поздние наблюдения Планка, проведенные в 2015 году, подтвердили эти выводы. [16] [17]
Статья Кохли и Хаслама 2014 года поставила под сомнение жизнеспособность теории вечной инфляции, анализируя теорию хаотической инфляции Линде, в которой квантовые флуктуации моделируются как гауссовский белый шум. [18] Они показали, что в этом популярном сценарии вечная инфляция на самом деле не может быть вечной, а случайный шум приводит к заполнению пространства-времени сингулярностями. Это было продемонстрировано, показав, что решения уравнений поля Эйнштейна расходятся за конечное время. Таким образом, в их статье был сделан вывод, что теория вечной инфляции, основанная на случайных квантовых флуктуациях, не будет жизнеспособной теорией, и возникающее в результате существование мультивселенной «все еще остается открытым вопросом, который потребует гораздо более глубокого исследования».
Инфляция, вечная инфляция и мультивселенная
[ редактировать ]В 1983 году было показано, что инфляция может быть вечной, что приводит к созданию мультивселенной , в которой пространство разбито на пузыри или участки, свойства которых различаются от участка к участку, охватывающему все физические возможности.
Пол Стейнхардт, создавший первый пример вечной инфляции, [1] в конечном итоге стал решительным и ярым противником теории. Он утверждал, что мультивселенная представляет собой крах инфляционной теории, потому что в мультивселенной любой результат одинаково возможен, поэтому инфляция не делает предсказаний и, следовательно, не поддается проверке. Следовательно, утверждал он, инфляция не является ключевым условием научной теории . [19] [20]
Однако и Линде, и Гут продолжали поддерживать инфляционную теорию и мультивселенную. Гут заявил:
Трудно построить модели инфляции, которые не приводят к мультивселенной. Это не невозможно, поэтому я думаю, что еще предстоит провести исследования. Но большинство моделей инфляции действительно ведут к мультивселенной, и доказательства инфляции подтолкнут нас к серьезному восприятию идеи мультивселенной. [21]
По словам Линде, «изобрести модели инфляции, которые не допускают существования мультивселенной, возможно, но это сложно. Каждый эксперимент, который повышает достоверность инфляционной теории, приближает нас к намекам на то, что мультивселенная реальна». [21]
В 2018 году покойные Стивен Хокинг и Томас Хертог опубликовали статью, в которой необходимость в бесконечной мультивселенной исчезает, поскольку Хокинг говорит, что их теория дает вселенные, которые «достаточно гладкие и глобально конечные». [22] [23] Теория использует голографический принцип для определения «плоскости выхода» из вневременного состояния вечной инфляции. Вселенные, генерируемые на этой плоскости, описываются с использованием переопределения безграничной волновой функции. Фактически теория требует границы на начало времени. [24] Проще говоря, Хокинг говорит, что их открытия «предполагают значительное сокращение мультивселенной», что, как указывает Кембриджский университет, делает теорию «прогнозирующей и проверяемой» с использованием гравитационно-волновой астрономии . [25]
См. также
[ редактировать ]- Астрофизика
- Космология
- Инфляция (космология)
- Фрактальная космология
- Физическая космология
- Форма Вселенной
- Ложный вакуум
- Проблема измерения (космология)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Гиббонс, Гэри В .; Хокинг, Стивен В .; Сиклос, НТЦ, ред. (1983). «Естественная инфляция». Очень ранняя Вселенная . Издательство Кембриджского университета . стр. 251–66. ISBN 978-0-521-31677-4 .
- ^ Перейти обратно: а б с Виленкин, Александр (1983). «Рождение инфляционных вселенных». Физический обзор D . 27 (12): 2848–2855. Бибкод : 1983PhRvD..27.2848V . дои : 10.1103/PhysRevD.27.2848 .
- ^ Гут, Алан Х. (2007). «Вечная инфляция и ее последствия». Дж. Физ. А. 40 (25): 6811–6826. arXiv : hep-th/0702178 . Бибкод : 2007JPhA...40.6811G . дои : 10.1088/1751-8113/40/25/S25 . S2CID 18669045 .
- ^ Гут, Алан Х. (1981). «Инфляционная вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности» . Физ. Преподобный Д. 23 (2): 347–356. Бибкод : 1981PhRvD..23..347G . дои : 10.1103/PhysRevD.23.347 .
- ^ Альбрехт, А.; Стейнхардт, П.Дж. (1982). «Космология теорий Великого объединения с радиационно-индуцированным нарушением симметрии». Физ. Преподобный Летт . 48 (17): 1220–1223. Бибкод : 1982PhRvL..48.1220A . doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1220 .
- ^ Линде, AD (август 1986 г.). «Вечно существующая самовоспроизводящаяся хаотическая инфляционная вселенная» (PDF) . Буквы по физике Б. 175 (4): 395–400. Бибкод : 1986PhLB..175..395L . дои : 10.1016/0370-2693(86)90611-8 .
- ^ Линде, Андрей. «Инфляционная космология». Инфляционная космология. Springer Berlin Heidelberg, 2008. 1–54.
- ^ Муханов Вячеслав Ф.; Чибисов, Г.В. (1981). «Квантовая флуктуация и «несингулярная» Вселенная». Письма ЖЭТФ . 33 : 532–5. Бибкод : 1981JETPL..33..532M .
- ^ Муханов, Вячеслав Федорович (1982). «Энергия вакуума и крупномасштабная структура Вселенной». Советский физический ЖЭТФ . 56 (2): 258–65. Бибкод : 1982ЖЭТП...56..258М .
- ^ Старобинский, А.А. (1979). «Спектр реликтового гравитационного излучения и раннее состояние Вселенной» (PDF) . Письмо в ЖЭТФ . 30 : 682. Бибкод : 1979JETPL..30..682S . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2017 года . Проверено 31 декабря 2009 г.
- ↑ См. популярное описание мастерской Гута (1997) или «Очень ранняя Вселенная» , ISBN 0521316774 под редакцией Хокинга, Гиббона и Сиклоса для более подробного отчета.
- ^ Хокинг, Юго-Запад (1982). «Развитие нарушений в инфляционной Вселенной с одним пузырем». Буквы по физике Б. 115 (4): 295–297. Бибкод : 1982PhLB..115..295H . дои : 10.1016/0370-2693(82)90373-2 .
- ^ Старобинский, Алексей Александрович (1982). «Динамика фазового перехода в новом сценарии раздувающейся Вселенной и генерация возмущений». Буквы по физике Б. 117 (3–4): 175–8. Бибкод : 1982PhLB..117..175S . дои : 10.1016/0370-2693(82)90541-X .
- ^ Гут, А.Х.; Пи, Со-Янг (1982). «Колебания в новой инфляционной вселенной». Письма о физических отзывах . 49 (15): 1110–3. Бибкод : 1982PhRvL..49.1110G . дои : 10.1103/PhysRevLett.49.1110 .
- ^ Бардин, Джеймс М.; Стейнхардт, Пол Дж.; Тернер, Майкл С. (1983). «Спонтанное создание почти безмасштабных возмущений плотности в раздувающейся Вселенной». Физический обзор D . 28 (4): 679–693. Бибкод : 1983PhRvD..28..679B . дои : 10.1103/PhysRevD.28.679 .
- ^ Иияс, Анна; Леб, Авраам; Стейнхардт, Пол (2013). «Инфляционная парадигма в беде после Планка 2013». Физ. Летт. Б. 723 (4–5): 261–266. arXiv : 1304.2785 . Бибкод : 2013PhLB..723..261I . дои : 10.1016/j.physletb.2013.05.023 . S2CID 14875751 .
- ^ Иияс, Анна; Стейнхардт, Пол Дж.; Леб, Авраам (2014). «Инфляционный раскол». Физ. Летт. Б. 7 : 142–146. arXiv : 1402.6980 . Бибкод : 2014PhLB..736..142I . дои : 10.1016/j.physletb.2014.07.012 . S2CID 119096427 .
- ^ Иджас, Анна; Стейнхардт, Пол Дж.; Леб, Авраам (2015). «Математические проблемы вечной инфляции». Сорт. Квантовая гравитация . 32 (7): 075001. arXiv : 1408.2249 . Бибкод : 2015CQGra..32g5001S . дои : 10.1088/0264-9381/32/7/075001 . S2CID 119321525 .
- ^ Стейнхардт, Пол Дж. (апрель 2011 г.). «Дебаты об инфляции: является ли теория, лежащая в основе современной космологии, глубоко ошибочной?» (PDF) . Научный американец . 304 (4): 36–43. Бибкод : 2011SciAm.304d..36S . doi : 10.1038/scientificamerican0411-36 . ПМИД 21495480 . Архивировано из оригинала (PDF) 24 августа 2014 года . Проверено 7 октября 2016 г.
- ↑ Циклическая теория Вселенной. Архивировано 12 июня 2010 года в Wayback Machine.
- ^ Перейти обратно: а б «Наша Вселенная может существовать в мультивселенной, как предполагает открытие космической инфляции» . Space.com . 18 марта 2014 г.
- ^ Чо, Адриан (2 мая 2018 г.). «(Почти) последняя статья Стивена Хокинга: положить конец началу Вселенной» . Наука | АААС . Проверено 15 октября 2020 г.
- ^ Хокинг, Юго-Запад; Хертог, Томас (27 апреля 2018 г.). «Плавный выход из вечной инфляции?» . Журнал физики высоких энергий . 2018 (4): 147. arXiv : 1707.07702 . Бибкод : 2018JHEP...04..147H . дои : 10.1007/JHEP04(2018)147 . ISSN 1029-8479 . S2CID 13745992 .
- ^ «Перед Большим Взрывом 5: Предложение об отсутствии границ» . Ютуб . парашютист. 7 ноября 2017 г. Архивировано из оригинала 19 декабря 2021 г. Проверено 16 октября 2020 г.
- ^ «Укрощение мультивселенной: последняя теория Стивена Хокинга о большом взрыве» . Кембриджский университет . 2 мая 2018 года . Проверено 15 октября 2020 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Теория «Мультивселенной», предложенная микроволновым фоном BBC News, 3 августа 2011 г., об испытании вечной инфляции.
| Центральные концепции | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Игрушечные модели | |||||||||
| Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени | |||||||||
| Черные дыры | |||||||||
| Подходы |
| ||||||||
| Приложения | |||||||||
| |||||||||
