INFLAȚIA ETERNĂ.

 

INFLAȚIA ETERNĂ

 Inflația eternă este un model de Univers inflaționist ipotetic, care este el însuși o creștere sau o extensie a teoriei Big Bang. Conform inflației eterne, faza inflaționistă a expansiunii Universului durează pentru totdeauna în cea mai mare parte a Universului. Deoarece regiunile se extind exponențial rapid, cea mai mare parte a volumului Universului la un moment dat se umflă. Inflația eternă, prin urmare, produce un Multivers ipotetic infinit, în care doar un volum nesemnificativ de fractal termină inflația. Paul Steinhardt, unul dintre cercetătorii originali ai modelului inflaționist, a introdus primul exemplu de inflație eternă în 1983, iar Alexander Vilenkin a arătat că este generică. Articolul din 2007 al lui Alan Guth, - „Inflația eternă și implicațiile sale”, afirmă că, în ipoteze rezonabile „deși inflația este generic eternă în viitor, nu este eternă în trecut”. Guth a detaliat ceea ce se știa despre subiect la vremea respectivă și a demonstrat că inflația eternă era încă considerată rezultatul probabil al inflației, la mai mult de 20 de ani de când inflația eternă a fost introdusă pentru prima dată de Steinhardt.

Prezentare generală: Inflația, sau teoria Universului inflaționist, a fost inițial dezvoltată ca o modalitate de a depăși puținele probleme rămase din ceea ce, altfel, era considerată o teorie de succes a cosmologiei, modelul Big Bang. În 1979, Alan Guth a introdus modelul inflaționist al Universului pentru a explica de ce Universul este plat și omogen (teoria se referă la distribuția lină a materiei și a radiațiilor pe scară largă). Ideea de bază a fost că Universul a suferit o perioadă de expansiune accelerată rapid la câteva instante după Big Bang. El a oferit un mecanism pentru a determina inflația să înceapă: energie falsă de vid. Guth a inventat termenul „inflație” și a fost primul care a discutat teoria cu alți oameni de știință din întreaga lume. Formularea inițială a lui Guth a fost problematică, deoarece nu a existat o modalitate consecventă de a pune capăt epocii inflaționiste și de a ajunge la Universul fierbinte, izotrop, omogen observat astăzi. Deși falsul vid s-ar putea descompune în „bule” goale de „adevărat vid” care s-au extins cu viteza luminii, bulele goale nu s-au putut uni pentru a reîncălzi Universul, deoarece nu ar putea ține pasul cu Universul umflat rămas. În 1982, această „problemă de ieșire grațioasă” a fost rezolvată independent de Andrei Linde, Andreas Albrecht și Paul J. Steinhardt care au arătat cum să punem capăt inflației fără a face bule goale și, în schimb, să ajungem la un Univers fierbinte în expansiune. Ideea de bază a fost de a avea o evoluție lentă de la fals vid la vid adevărat fără a face bule. Modelul îmbunătățit a fost numit „inflație nouă”. În 1983, Paul Steinhardt a fost primul care a arătat că această „nouă inflație” nu trebuie să se termine peste tot. În schimb, s-ar putea termina doar într-un petic finit sau o bulă fierbinte plină de materie și radiații și că inflația continuă în cea mai mare parte a Universului în timp ce produce bulă fierbinte după bulă fierbinte pe parcurs. Alexander Vilenkin a arătat că, atunci când efectele cuantice sunt incluse corect, acest lucru este de fapt generic pentru toate noile modele de inflație. Folosind ideile introduse de Steinhardt și Vilenkin, Andrei Linde a publicat în 1986 un model alternativ al inflației care a folosit aceste idei pentru a oferi o descriere detaliată a ceea ce a devenit cunoscut sub numele de teoria inflației haotice sau inflația eternă.

Fluctuații cuantice: Noua inflație nu produce un Univers perfect simetric din cauza fluctuațiilor cuantice din timpul inflației. Fluctuațiile fac ca energia și densitatea materiei să fie diferite în diverse puncte din spațiu. Fluctuațiile cuantice din câmpul inflațional ipotetic produc modificări ale ratei de expansiune care sunt responsabile pentru inflația eternă. Acele regiuni cu o rată mai mare a inflației se extind mai repede și domină Universul, în ciuda tendinței naturale a inflației de a se termina în alte regiuni. Acest lucru permite inflației să continue pentru totdeauna, să producă inflație eternă în viitor. Ca exemplu simplificat, să presupunem că în timpul inflației, rata naturală de descompunere a câmpului inflatonului este lentă în comparație cu efectul fluctuației cuantice. Când un mini-Univers se umflă și se „auto-reproduce” în, să zicem, douăzeci de mini-Universuri, cauzal deconectate, de dimensiuni egale cu mini-Universul original, poate nouă dintre noile mini-Universuri vor avea o mai mare, mai degrabă decât mai mică, valoarea medie a câmpului inflatonului decât mini-Universul original, deoarece acestea s-au umflat din regiunile mini-Universului inițial, unde fluctuația cuantică a împins în sus valoarea inflatonului față de rata lentă de descompunere a inflației, fapt care a scăzut, în final, valoarea inflatonului. Inițial a existat un mini-Univers cu o valoare inflaton dată; acum există nouă mini-Universuri care au o valoare a inflatonului ceva mai mare. Desigur, există și unsprezece mini-Universuri în care valoarea inflatonului este puțin mai mică decât era inițial. Fiecare mini-Univers cu valoarea câmpului inflatonului mai mare repornește o rundă similară de auto-reproducere aproximativă în sine. Mini-Universurile cu valori mai mici ale inflatonului se pot reproduce, de asemenea, cu excepția cazului în care valoarea inflatonului este suficient de mică încât regiunea să renunțe la inflație și încetează autoreproducerea. Acest proces continuă la nesfârșit; nouă mini-Universuri cu inflație ridicată ar putea deveni 81, apoi 729 etc.. Astfel, există o inflație eternă. În 1980, fluctuațiile cuantice au fost sugerate de Viatcheslav Mukhanov și Gennady Chibisov în Uniunea Sovietică, în contextul unui model de gravitație modificat de Alexei Starobinsky, pentru a fi semințe posibile pentru formarea galaxiilor. În contextul inflației, fluctuațiile cuantice au fost analizate pentru prima dată la Atelierul Nuffield, în 1982, de către Stephen Hawking, Starobinsky, Guth, So-Young Pi, James M. Bardeen, Paul Steinhardt și Michael Turner. Calculele timpurii derivate la Atelierul Nuffield s-au concentrat doar pe fluctuațiile medii, a căror magnitudine este prea mică pentru a afecta inflația. Cu toate acestea, începând cu exemplele prezentate de Steinhardt și Vilenkin, aceeași fizică cuantică a arătat, mai târziu, că produce fluctuații mari ocazionale care măresc rata inflației și mențin inflația continuă.

Dezvoltări ulterioare: Analizând datele Planck Satellite din 2013, Anna Ijjas și Paul Steinhardt au arătat că cele mai simple modele inflaționiste au fost eliminate și că celelalte modele necesită condiții de pornire exponențial mai reglate, mai mulți parametri de reglat și o inflație mai mică. Observațiile ulterioare Planck raportate în 2015 au confirmat aceste concluzii. O lucrare din 2014 a lui Kohli și Haslam a pus sub semnul întrebării viabilitatea teoriei inflației eterne, prin analiza teoriei inflației haotice a lui Linde în care fluctuațiile cuantice sunt modelate ca zgomot alb Gaussian. Ei au arătat că, în acest scenariu popular, inflația eternă nu poate fi de fapt eternă, iar zgomotul aleatoriu duce la un spațiu-timp care trebuie să fie umplut cu singularități. Acest lucru a fost demonstrat arătându-se că soluțiile la ecuațiile câmpului Einstein diverg într-un timp finit. Prin urmare, lucrarea lor a concluzionat că teoria inflației eterne bazată pe fluctuații cuantice aleatorii nu ar fi o teorie viabilă, iar existența rezultată a unui Multivers este „încă o întrebare deschisă care va necesita o investigație mult mai profundă”.

Inflația, inflația eternă și Multiversul: În 1983, s-a arătat că inflația ar putea fi eternă, ducând la un Multivers în care spațiul este împărțit în bule sau patch-uri ale căror proprietăți diferă de la patch la patch care acoperă toate posibilitățile fizice. Paul Steinhardt, care a produs primul exemplu de inflație eternă, a devenit în cele din urmă un adversar puternic și vocal al teoriei. El a susținut că Multiversul a reprezentat o defalcare a teoriei inflaționiste, deoarece, într-un Multivers, orice rezultat este la fel de posibil, astfel încât inflația nu face predicții și, prin urmare, este incertificabilă. În consecință, a susținut el, inflația eșuează într-o condiție cheie pentru o teorie științifică. Atât Linde, cât și Guth, au continuat să susțină teoria inflaționistă și Multiversul. Guth a declarat: „Este greu să construiești modele de inflație care să nu conducă la un Multivers. Nu este imposibil, așa că, eu cred că există cu siguranță încă cercetări care trebuie făcute.” Dar majoritatea modelelor de inflație conduc la un Multivers, iar dovezile inflației ne vor împinge în direcția luării în serios a ideii de Multivers. Potrivit lui Linde, „este posibil să inventăm modele de inflație care nu permit un Multivers, dar este dificil. Fiecare experiment care aduce o mai mare credibilitate teoriei inflaționiste ne aduce mult mai aproape de indicii că Multiversul este real”. În 2018, regretatul Stephen Hawking și Thomas Hertog au publicat o lucrare în care nevoia unui Multivers infinit dispare pe măsură ce Hawking descrie teoria lor, oferind Universuri care sunt „rezonabil de netede și global finite”. Teoria folosește principiul holografic pentru a defini un „plan de ieșire” din starea atemporală a inflației eterne; Universurile care sunt generate pe plan sunt descrise folosind o redefinire a funcției de undă fără limite. De fapt, teoria necesită o limită la de la inceputuri. Hawking spune că, descoperirile lor „implică o reducere semnificativă a Multiversului”, ceea ce, așa cum subliniază cercetători de la Universitatea din Cambridge, face teoria „predictivă și testabilă” folosind astronomia cu unde gravitaționale.