نظرية التضخم يجمع الأفكار من فيزياء الكم و فيزياء الجسيمات لاستكشاف لحظات مبكرة من الكون ، بعد الانفجار الكبير. وفقًا لنظرية التضخم ، تم إنشاء الكون في حالة طاقة غير مستقرة ، مما أدى إلى توسع سريع في الكون في لحظاته الأولى. إحدى النتائج هي أن الكون أكبر بكثير مما كان متوقعًا ، وأكبر بكثير من الحجم الذي يمكننا ملاحظته بواسطة التلسكوبات لدينا. النتيجة الأخرى هي أن هذه النظرية تتنبأ ببعض السمات - مثل التوزيع الموحد للطاقة والهندسة المسطحة وقت فراغالذي لم يتم شرحه مسبقًا في إطار نظرية الانفجار الكبير.
وضعت في عام 1980 من قبل فيزيائي الجسيمات آلان غوث ، وتعتبر نظرية التضخم اليوم عموما عنصر مقبول على نطاق واسع من الكبيرة نظرية الانفجار ، على الرغم من أن الأفكار المركزية لنظرية الانفجار الكبير كانت راسخة لسنوات قبل تطور التضخم نظرية.
أصول نظرية التضخم
ال نظرية الانفجار الكبير أثبتت نجاحها على مر السنين ، خاصة بعد تأكيدها من خلال اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية للموجات الدقيقة (CMB). على الرغم من النجاح الكبير للنظرية في شرح معظم جوانب الكون التي رأيناها ، إلا أن هناك ثلاث مشاكل رئيسية متبقية:
- مشكلة التجانس (أو ، "لماذا كان الكون موحدًا بشكل لا يصدق بعد ثانية واحدة فقط من الانفجار الأعظم؟" ، كما تم طرح السؤال في الكون الذي لا نهاية له: ما وراء الانفجار الكبير)
- مشكلة التسطيح
- وتوقع الإنتاج الزائد من أحادي القطب المغناطيسي
بدا أن نموذج الانفجار الأعظم يتنبأ بكون منحنٍ لم يتم فيه توزيع الطاقة على الإطلاق بالتساوي ، وفيها كان هناك الكثير من الأقطاب الأحادية المغناطيسية ، لم يتطابق أي منها مع الأدلة.
علم فيزيائي الجسيمات آلان غوث أولًا بمشكلة التسطيح في محاضرة ألقاها روبرت ديكي عام 1978 في جامعة كورنيل. على مدى العامين المقبلين ، طبق جوث مفاهيم من فيزياء الجسيمات إلى الوضع وطور نموذجًا للتضخم في بداية الكون.
قدم غوث النتائج التي توصل إليها في محاضرة عقدت في 23 كانون الثاني (يناير) 1980 في مركز تسريع خطي ستانفورد. كانت فكرته الثورية أن مبادئ فيزياء الكم في قلب فيزياء الجسيمات يمكن تطبيقها على اللحظات المبكرة من خلق الانفجار الكبير. كان الكون قد تم إنشاؤه بكثافة طاقة عالية. تملي الديناميكا الحرارية أن كثافة الكون كانت ستجبره على التوسع بسرعة كبيرة.
بالنسبة لأولئك الذين يهتمون بمزيد من التفاصيل ، سيكون الكون قد تم إنشاؤه في "فراغ خاطئ" مع إيقاف تشغيل آلية هيغز (أو ، بطريقة أخرى ، هيغز بوسون غير موجود). كانت ستخضع لعملية تبريد فائق ، بحثًا عن حالة طاقة منخفضة مستقرة ("فراغ حقيقي" حيث تم تشغيل آلية Higgs) ، وكانت عملية البرودة الفائقة هي التي أدت إلى فترة التضخم السريعة توسيع.
كيف بسرعة؟ كان سيتضاعف حجم الكون كل 10-35 ثواني. في غضون 10-30 ثواني ، كان من الممكن أن يتضاعف حجم الكون 100.000 مرة ، وهو أكثر من توسع كافٍ لشرح مشكلة التسطيح. حتى لو كان الكون لديه انحناء عندما بدأ ، فإن هذا التوسع الكبير سيجعله يبدو مسطحًا اليوم. (ضع في اعتبارك أن حجم الأرض كبير بما يكفي ليبدو لنا مستويًا ، على الرغم من أننا نعلم أن السطح الذي نقف عليه منحني خارج الكرة.)
وبالمثل ، يتم توزيع الطاقة بالتساوي لأنه عندما بدأت ، كنا جزءًا صغيرًا جدًا من الكون ، وهذا الجزء من توسع الكون بسرعة كبيرة لدرجة أنه إذا كانت هناك أي توزيعات كبيرة غير متساوية للطاقة ، فستكون بعيدة جدًا بالنسبة لنا تصور شعور. هذا هو حل لمشكلة التجانس.
تكرير النظرية
كانت مشكلة النظرية ، بقدر ما يمكن أن يقول جوث ، أنه بمجرد بدء التضخم ، سيستمر إلى الأبد. يبدو أنه لا توجد آلية واضحة للإغلاق.
أيضًا ، إذا كان الفضاء يتوسع باستمرار بهذا المعدل ، فإن فكرة سابقة عن الكون المبكر ، قدمها سيدني كولمان ، لن تنجح. تنبأ كولمان أن التحولات الطورية في الكون المبكر حدثت من خلال إنشاء فقاعات صغيرة تجمعت معًا. مع وجود التضخم في مكانه ، كانت الفقاعات الصغيرة تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن دمجها على الإطلاق.
مفتونًا بالاحتمال ، هاجم الفيزيائي الروسي أندريه ليندي هذه المشكلة وأدرك أن هناك تفسيرًا آخر عالج هذه المشكلة ، بينما كان في هذا الجانب من الستارة الحديدية (كان هذا في الثمانينيات ، تذكر) أندرياس ألبريشت وبول ج. توصل Steinhardt إلى حل مماثل.
هذا النوع الجديد من النظرية هو الذي اكتسب بالفعل قوة جذب طوال الثمانينيات وأصبح في النهاية جزءًا من نظرية الانفجار العظيم الراسخ.
أسماء أخرى لنظرية التضخم
تحمل نظرية التضخم عدة أسماء أخرى ، بما في ذلك:
- تضخم كوني
- تضخم كوني
- التضخم
- تضخم قديم (نسخة غوث الأصلية 1980 من النظرية)
- نظرية تضخم جديدة (تم إصلاح اسم النسخة مع مشكلة الفقاعة)
- تضخم بطيء (اسم الإصدار مع إصلاح مشكلة الفقاعة)
هناك أيضًا نوعان مترابطان من النظرية ، تضخم فوضوي و تضخم أبدي، والتي لها بعض الفروق الطفيفة. في هذه النظريات ، لم تحدث آلية التضخم بمجرد حدوث الانفجار الكبير مباشرة ، بل حدثت مرارًا وتكرارًا في مناطق مختلفة من الفضاء طوال الوقت. ويفترضون عددًا سريع التكاثر من "أكوان الفقاعة" كجزء من الكون المتعدد. يشير بعض الفيزيائيين إلى أن هذه التنبؤات موجودة الكل إصدارات نظرية التضخم ، لذلك لا تعتبرها نظريات متميزة.
كونها نظرية كمومية ، هناك تفسير ميداني لنظرية التضخم. في هذا النهج ، فإن آلية القيادة هي مجال النفخ أو جسيم منتفخ.
ملحوظة: بينما مفهوم الطاقة المظلمة في النظرية الكونية الحديثة تسرع أيضًا توسع الكون ، تبدو الآليات المعنية مختلفة تمامًا عن تلك المتضمنة في نظرية التضخم. أحد المجالات التي تهم علماء الكون هي الطرق التي قد تؤدي بها نظرية التضخم إلى رؤى حول الطاقة المظلمة ، أو العكس.