Тэорыя касмічнай інфляцыі — адна з многіх навуковых гіпотэз, мэтай якой з'яўляецца растлумачыць адно з найважнейшых пытанняў касмалогіі: як наш велізарны Сусвет развіўся з такога малога і шчыльнага пачатковага стану? Прапанаваная фізікам Аланам Гутам у 1980 годзе, гэтая канцэпцыя дапамагла вырашыць некалькі загадак, якія традыцыйная тэорыя «Вялікага выбуху» раней з цяжкасцю магла растлумачыць.
Аднак, перш чым паглыбіцца ў тэорыю касмічнай інфляцыі, варта спачатку зразумець, чаму гэтая тэорыя патрэбна.
Праблемы ў тэорыі Вялікага выбуху
Тэорыя Вялікага выбуху доўгі час з'яўлялася вядучым тлумачэннем паходжання Сусвету. Згодна з гэтай тэорыяй, Сусвет спачатку быў вельмі шчыльнай і гарачай кропкай, якая потым выбухнула і пашырылася. Нягледзячы на тое, што тэорыя Вялікага выбуху вельмі паспяхова тлумачыць розныя касмічныя з'явы, такія як касмічны мікрахвалевы фон (РМФ) і размеркаванне галактык, існуе некалькі праблем, якія тэорыя не можа растлумачыць, у тым ліку:
1. Праблема плоскасці: Назіранні паказваюць, што Сусвет вельмі плоскі (амаль еўклідава геаметрыя). Паколькі Сусвет павінен з часам станавіцца больш крывалінейным, гэта патрабуе вельмі асаблівых пачатковых умоў.
2. Праблема гарызонту: ва ўсім бачным Сусвеце тэмпература рэліктавага выпраменьвання практычна аднастайная. Навукоўцы не разумеюць, чаму часткі Сусвету, якія ніколі не ўзаемадзейнічаюць адна з адной (з-за хуткасці святла), маюць аднолькавую тэмпературу.
3. Праблема манаполя: Фізічныя тэорыі сведчаць аб тым, што цяжкія магнітныя манаполі павінны былі ўтварыцца ў вялікай колькасці ў раннім Сусвеце. Аднак назіранні паказваюць, што мы не бачым гэтых часціц у значнай колькасці.
Што такое тэорыя касмічнай інфляцыі?
Тэорыя касмічнай інфляцыі — гэта спроба вырашыць гэтыя праблемы, выказаўшы здагадку, што ў самым раннім перыядзе гісторыі Сусвету, прыкладна ад 10^{-36} да 10^{-32} секунд пасля Вялікага выбуху, існавала фаза вельмі хуткага экспанентнага пашырэння.
Як працуе інфляцыя?
Па сутнасці, інфляцыя апісвае перыяд, на працягу якога Сусвет пашыраўся ў 10^26 разоў хутчэй, чым звычайнае пашырэнне. Гэтая хуткасць пашырэння значна вышэйшая за хуткасць святла, хоць яна ўсё яшчэ адпавядае агульнай тэорыі адноснасці, таму што пашыраецца сама прастора, а не аб'екты, якія рухаюцца праз яе.
Згодна з гэтай тэорыяй, інфляцыя была выклікана скалярным полем, якое называецца «інфлатон». Патэнцыяльная энергія інфлатонавага поля дамінавала над агульнай шчыльнасцю энергіі Сусвету на ранніх стадыях яго развіцця, што прыводзіла да хуткага пашырэння. Калі інфляцыя скончылася, энергія ў інфлатонным полі ператварылася ў часціцы, якія прысутнічаюць сёння, і Сусвет перайшоў у больш павольную фазу, што больш адпавядае нашым цяперашнім назіранням.
Перавагі тэорыі касмічнай інфляцыі
1. Рашэнне праблемы плоскасці: Інфляцыя наблізіла Сусвет да ідэальна плоскага стану. Калі адбылася інфляцыя, любая крывізна прасторы-часу сплюшчылася з-за хуткага пашырэння. Гэта тлумачыць, чаму мы сёння назіраем амаль еўклідаў Сусвет.
2. Тлумачэнне праблемы гарызонту: Інфляцыя мяркуе, што да інфляцыйнага перыяду ўвесь Сусвет знаходзіўся ў адным і тым жа стане (аднародным і ізатропным) у вельмі малых маштабах. Затым інфляцыйны перыяд пашырыў гэтую аднародную вобласць да касмічных маштабаў, якія мы бачым сёння, што тлумачыць аднастайнасць тэмпературы рэліктавага выпраменьвання па ўсім небе.
3. Рашэнне праблемы манаполя: Інфляцыя прадухіляе ўтварэнне вялікай колькасці манаполяў. Калі адбываецца інфляцыя, любыя існуючыя часціцы манаполя выносяцца далёка за межы нашага гарызонту назірання, што робіць іх надзвычай рэдкімі ў нашым назіраным Сусвеце.
Назіральныя і эксперыментальныя наступствы
Адным з ключавых прадказанняў тэорыі інфляцыі з'яўляецца спектральная карціна касмічнага фонавага выпраменьвання. Назіранні спадарожнікаў COBE, WMAP і Planck далі пераканаўчыя доказы, якія пацвярджаюць інфляцыю, што адпавядае квантавым флуктуацыям, якія існавалі да інфляцыі. Гэтыя дадзеныя пацвярджаюць ідэю аб тым, што буйнамаштабная структура Сусвету паходзіць з квантавых флуктуацый.
Акрамя таго, інфляцыя прадказвае асаблівую заканамернасць у рэліктавым выпраменьванні пад назвай «палярызацыя B-моды». Назіральныя намаганні па выяўленні гэтага сігналу вядуцца з выкарыстаннем перадавых тэлескопаў, такіх як BICEP2 і тэлескоп Паўднёвага полюса.
Крытыка і выклікі
Нягледзячы на тое, што тэорыя касмічнай інфляцыі вельмі прывабная і прапануе рашэнні шэрагу праблем традыцыйнай тэорыі Вялікага выбуху, яна таксама сутыкаецца з крытыкай. Адной з галоўных крытычных заўваг з'яўляецца адсутнасць выразнага разумення механікі самога інфлятоннага поля. На сённяшні дзень ніводная часціца або поле ў Стандартнай мадэлі фізікі часціц не адпавядаюць характарыстыкам інфлятоннага поля, прапанаваным тэорыяй інфляцыі.
Некаторыя навукоўцы таксама лічаць, што тэорыя інфляцыі занадта гнуткая і адаптуецца да розных тыпаў назіранняў, тым самым зніжаючы сваю прагнастычную здольнасць. Насамрэч, некаторыя даследаванні ставяць пад сумнеў, ці можна надзейна праверыць саму інфляцыю з дапамогай назіранняў.
Выснова
Тэорыя касмічнай інфляцыі — важная вяха ў сучаснай касмалогіі, якая прапануе элегантнае рашэнне некалькіх праблем традыцыйнай тэорыі Вялікага выбуху. Нягледзячы на шматлікія выклікі і крытыку, пераважная большасць назіральных дадзеных пацвярджае гэтую ідэю. Даследаванні і распрацоўкі працягваюцца, каб палепшыць наша разуменне інфляцыі, што таксама можа адкрыць новыя вокны ў фундаментальную фізіку і паходжанне нашага Сусвету.
Як і навука ў цэлым, тэорыя касмічнай інфляцыі пастаянна развіваецца, і будучыня, верагодна, адкрые больш таямніц гэтага цудоўнага Сусвету. Задача навукоўцаў — з дапамогай усё больш складаных інструментаў назірання і эксперыментаў вырашыць гэтыя праблемы і паглыбіць наша разуменне таго, што насамрэч адбылося ў самыя раннія моманты існавання Сусвету.
