Beschrijving en oorsprong van de inflatietheorie

Inflatie theorie brengt ideeën uit samen kwantumfysica en deeltjesfysica om de vroege momenten van het universum te verkennen, na de oerknal. Volgens de inflatietheorie is het universum in een onstabiele energietoestand gecreëerd, waardoor het universum in zijn vroege momenten snel werd uitgebreid. Een gevolg is dat het universum enorm 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 platte geometrie van ruimte tijd- hetgeen niet eerder werd uitgelegd in het kader van de oerknaltheorie.

Ontwikkeld in 1980 door deeltjesfysicus Alan Guth, wordt de inflatietheorie tegenwoordig algemeen beschouwd als een breed geaccepteerde component van de grote knaltheorie, ook al waren de centrale ideeën van de oerknaltheorie al jaren ingeburgerd voorafgaand aan de ontwikkeling van de inflatie theorie.

De oerknaltheorie

• Het homogeniteitsprobleem (of: "Waarom was het universum zo ongelooflijk uniform slechts een seconde na de oerknal ?;" zoals de vraag wordt gepresenteerd in Endless Universe: Beyond the Big Bang)
• Het vlakheidsprobleem
• De voorspelde overproductie van magnetische monopolen

Het oerknalmodel leek een gebogen universum te voorspellen waarin energie helemaal niet gelijkmatig werd verdeeld, en waarin er veel magnetische monopolen waren, die geen van alle overeenkwamen met het bewijsmateriaal.

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

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 konden worden toegepast op de vroege momenten van de oerknalcreatie. 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 details, zou het universum in wezen zijn gecreëerd in een "vals vacuüm" met het Higgs-mechanisme uitgeschakeld (of, anders gezegd, de Higgs-deeltje bestond niet). Het zou een proces van onderkoeling hebben doorlopen, op zoek naar een stabiele staat met een lagere energie (een "echt vacuüm" waarin het Higgs-mechanisme ingeschakeld), en het was dit onderkoeling-proces dat de inflatieperiode snel deed toenemen uitbreiding.

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

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

Het probleem met de theorie, voor zover Guth kon zien, was dat zodra de inflatie begon, deze voor altijd zou blijven bestaan. Er leek geen duidelijk afsluitmechanisme aanwezig te zijn.

En als de ruimte met dit tempo voortdurend zou uitbreiden, zou een eerder idee over het vroege universum, gepresenteerd door Sidney Coleman, niet werken. Coleman had voorspeld dat fase-overgangen in het vroege universum plaatsvonden door het creëren van kleine bubbels die samenvloeiden. Met de inflatie op hun plaats, bewogen de kleine bellen te snel van elkaar af om ooit samen te vloeien.

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 kwam met een vergelijkbare oplossing.

Deze nieuwere variant van de theorie is degene die in de jaren tachtig echt grip kreeg en uiteindelijk deel ging uitmaken van de gevestigde oerknaltheorie.

Inflatietheorie kent verschillende andere namen, waaronder:

• kosmologische inflatie
• kosmische inflatie
• inflatie
• oude inflatie (Guths originele versie van de theorie uit 1980)
• nieuwe inflatietheorie (de naam voor de versie met het bellenprobleem opgelost)
• slow-roll inflatie (de naam voor de versie met het bubbelprobleem opgelost)

Er zijn ook twee nauw verwante varianten van de theorie, chaotische inflatie en eeuwige inflatie, die enkele kleine verschillen hebben. In deze theorieën gebeurde het inflatiemechanisme niet slechts één keer onmiddellijk na de oerknal, maar gebeurde het keer op keer in verschillende delen van de ruimte. Ze stellen een snel vermenigvuldigend aantal "bellenuniversa" 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 inflaton deeltje.

Notitie: Terwijl het concept van donkere energie in de moderne kosmologische theorie versnelt ook de uitdijing van het heelal, de betrokken mechanismen lijken sterk te verschillen van die welke bij de inflatietheorie betrokken zijn. Een gebied dat interessant is voor kosmologen is de manier waarop inflatietheorie kan leiden tot inzichten in donkere energie, of omgekeerd.