36 χρόνια από την πρωτοδημοσίευση της θεωρίας του πληθωρισμού

Πριν 36 χρόνια μια δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review D άλλαξε εντελώς την επιστημονική σκέψη για την προέλευση του σύμπαντος. Κάποιες νέες ιδέες από τη σωματιδιακή φυσική, έδειξε η δημοσίευση, άφηναν να εννοηθεί ότι το σύμπαν θα μπορούσε να έχει υποβληθεί σε μια φάση πολύ ταχείας διαστολής, στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου της ζωής του. Αυτό το πληθωριστικό επεισόδιο, όπως ονομάστηκε, θα μπορούσε να εξηγήσει πως το σύμπαν μας έχει την παρατηρούμενη πυκνότητα και ομοιογένειας του. Ο πληθωρισμός δεν έγινε μόνο ένα κεντρικό δόγμα της κοσμολογικής θεωρίας, αυτή σήμαινε επίσης ότι κάθε επίδοξος κοσμικός θεωρητικός έπρεπε να μάθει και σωματιδιακή φυσική.

Το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb έχει σκοπό να παρατηρήσει το σύμπαν στην υπέρυθρη ζώνη του φάσματος, μετά την αναμενόμενη εκτόξευση του το 2014 ή και αργότερα ως συνήθως γίνεται. Μεταξύ των άλλων καθηκόντων, το τηλεσκόπιο θα παρατηρήσει το φως από το πρώιμο σύμπαν και έχει σκοπό να εξετάσει την ιδέα του πληθωρισμού – μια εκθετική διαστολή του σύμπαντος κατά τη διάρκεια της πολύ πρώιμης εποχής του – που για πρώτη φορά προτάθηκε το 1981.

Στη δεκαετία του 1970, οι θεωρητικοί της σωματιδιακής φυσικής άρχισαν να κατασκευάζουν τη μεγάλη ενοποιημένη θεωρία (GUTs), η οποία πρότεινε ότι σε θερμοκρασίες ή ενέργειες πάνω από, περίπου, 10¹⁵ δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (GeV), η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ισχυρή και η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι ταυτόσημες (ενοποιημένες). Στο καθιερωμένο μοντέλο του big bang, το σύμπαν ξεκίνησε αρκετά καυτό ώστε να επιτευχθεί αυτή η μεγάλη ενοποίηση των δυνάμεων. Στη συνέχεια, όταν το σύμπαν είχε ηλικία, περίπου, 10^-35 δευτερόλεπτα, η ισχυρή πυρηνική δύναμη διαχωρίστηκε από τις υπόλοιπες δύο, που απετέλεσαν την ηλεκτρασθενή δύναμη. Μία ανεπιθύμητη συνέπεια αυτής της μετάβασης (του διαχωρισμού), συνειδητοποίησαν αργότερα οι θεωρητικοί, ήταν ότι αυτή θα δημιουργήσει ένα πλήθος απομονωμένων μαγνητικών πόλων, βόρειων και νότιων, ή μονόπολα όπως ονομάστηκαν – ένα φαινόμενο που δεν συνάδει με τις κοσμικές παρατηρήσεις.

Δυο φαινομενικά άσχετα προβλήματα υπήρχαν επίσης εκείνη την εποχή στην κοσμολογία. Πρώτον το πρόβλημα της ομοιογένειας: το σύμπαν επεκτάθηκε στην εποχή του πληθωρισμού τόσο γρήγορα, ώστε δεν υπήρχε ο χρόνος όλες οι περιοχές που παρατηρούνται σήμερα να εξισώσουν τις θερμοκρασίες και τις πυκνότητές τους, μέσω ανταλλαγής ύλης και ενέργειας. Γιατί λοιπόν το σύμπαν μας φαίνεται περισσότερο ή λιγότερο ίδιο παντού προς όλες τις κατευθύνσεις;

Ο δεύτερος γρίφος ήταν ότι το σύμπαν φαίνεται να είναι σχεδόν «επίπεδο» – για αποστάσεις μεγάλης κλίμακας ο χωρόχρονος έχει ελάχιστη ή καθόλου καμπυλότητα. Όμως στα καθιερωμένα κοσμολογικά μοντέλο, κάθε σύμπαν που αρχίζει με έστω και ελάχιστη καμπυλότητα, είτε θετική είτε αρνητική, αποκλίνει από την επιπεδότητα καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Ένα σύμπαν που είναι σχεδόν επίπεδο μετά από δέκα δισεκατομμύρια χρόνια είναι τόσο δύσκολο να υπάρχει, όσο και ένα μολύβι που ισορροπεί κατακόρυφα στη μύτη του για αιώνες.

Στα τέλη του 1979, ο Alan Guth, τότε ήταν στο Κέντρο του Γραμμικού Επιταχυντή στο Stanford (SLAC) στην Καλιφόρνια, συνειδητοποίησε ότι μια λύση το πρόβλημα των μαγνητικών μονοπόλων, που είχε επεξεργαστεί με ένα συνάδελφό του,  θα μπορούσε να λύσει και αυτά τα δυο μεγάλα αινίγματα. Στην λύση του προβλήματος εμπλεκόταν ένα στοιχείο των ενοποιημένων θεωριών GUTs, το πολύ γνωστό μας πεδίο Higgs, το οποίο υποτίθεται ότι διαποτίζει όλο το χώρο.

Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, η ισχυρή δύναμη διαχωρίζεται από τις υπόλοιπες μόνο όταν το πεδίο Higgs μεταβάλλεται από τη μία τιμή σε μια άλλη. Για να λυθεί το πρόβλημα των μονοπόλων, ο Alan Guth και ο Henry Tye, (και οι δυο ήταν στο Πανεπιστήμιο του Cornell το προηγούμενο έτος), υπέθεσαν ότι το πεδίο Higgs δεν μεταβάλλεται αμέσως, αλλά για κάποιο χρονικό διάστημα κόλλησε σε μια λάθος τιμή. Η κατάσταση αυτή μοιάζει με μια μπάλα που παγιδεύεται σε ένα βαθούλωμα στην κορυφή ενός λόφου που την εμποδίζει να κατρακυλίσει κάτω προς την κοιλάδα. Η καθυστερημένη αυτή μετάβαση του Higgs σημαίνει μικρότερη παραγωγή μονοπόλων.

Το πεδίο Inflaton, η αιτία της πληθωριστικής διαστολής του χώρου, συμπεριφέρθηκε όπως μια μπάλα που κυλά σε μια πλαγιά: Αναζητούσε το ελάχιστο της δυναμικής του ενέργειας (κατακόρυφος άξονας). Η αρχική τιμή του πεδίου ήταν υψηλή λόγω των κβαντικών διαδικασιών στην έναρξη του χρόνου. Ενώ στον συμβατικό πληθωρισμό, το πεδίο κινήθηκε κατευθείαν στο ελάχιστο του. Στον ανοικτό όμως πληθωρισμό, παγιδεύτηκε σε ένα τοπικό ελάχιστο. Σε όλη σχεδόν την έκταση του σύμπαντος, το πεδίο παρέμεινε εκεί και ο πληθωρισμός δεν τερματίστηκε ποτέ. Σε ορισμένες όμως τυχερές περιοχές, το πεδίο μπόρεσε να ξεφύγει, μέσω του κβαντικού φαινομένου σήραγγας, απ’ το τοπικό ελάχιστο και ολοκλήρωσε την κάθοδό του. Μια τέτοια περιοχή έγινε τελικά η φυσαλίδα μέσα στην οποία ζούμε. Μόλις το πεδίο πλησίασε στο ελάχιστό του, τελική θέση ισορροπίας, άρχισε να ταλαντώνεται πέρα-δώθε, γεμίζοντας το χώρο με ύλη και ακτινοβολία. Το Big Bang είχε αρχίσει.

Ο Guth άρχισε να αναρωτιέται τι σημαίνει η καθυστερημένη μετάβαση του Higgs στην κοσμική διαστολή. Όταν το πεδίο Higgs είχε κολλήσει στη λάθος τιμή, κυριάρχησε στην ενέργεια του σύμπαντος, με την περίεργη ιδιότητα να κάνει το Σύμπαν να διαστέλλεται εκθετικά με το χρόνο, σε αντίθεση με τη συνήθη πιο αργή διαστολή ενός σύμπαντος που είναι γεμάτο από την ύλη και ακτινοβολία.

Ο “πληθωρισμός” όπως ονομάστηκε από τον Guth η εκθετική διαστολή, λύνει το πρόβλημα της ομοιογένειας, επειδή παίρνει ένα κομμάτι του πρώιμου σύμπαντος αρκετά μικρό που έχει εξομαλυνθεί με εσωτερικές διαδικασίες και την βάζει σε μια περιοχή πολύ μεγαλύτερη από ό,τι μπορούμε να δούμε σήμερα. Επίσης έδειξε ότι ο πληθωρισμός ωθεί το σύμπαν πιο κοντά στην τέλεια επιπεδότητα όσο περισσότερο συνεχίζεται.

Στην εργασία του, ο Guth παραδέχθηκε ένα σοβαρό πρόβλημα με το μοντέλο του. Το πεδίο Χιγκς δεν ολοκλήρωσε τη μετάβασή του σε κάθε περιοχή του χώρου, αφήνοντας ένα ανομοιογενές σύμπαν που δεν μοιάζει με τίποτα σαν το σύμπαν που βλέπουμε. Μετά από ένα χρόνο, ωστόσο, άλλοι θεωρητικοί βρήκαν τρόπους να προσαρμόσουν τη θεωρία και να αποφύγουν αυτό το πρόβλημα.

O Rocky Kolb, που τώρα βρίσκεται στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου, λέει ότι από τότε νέοι φυσικοί σωματιδίων άρχισαν να ενδιαφέρονται για την κοσμολογία, αλλά στον ίδιο τον Kolb το πρόβλημα των μαγνητικών μονόπολων του φαινόταν ως το πιο σημαντικό από τα άλλα κοσμικά προβλήματα. “Δεν είχαμε καμιά υποψία ότι ο πληθωρισμός θα γινόταν η ισχυρή ιδέα όπως κατέληξε να είναι σήμερα. Όμως τώρα ο πληθωρισμός, συνεχίζει, είναι πανταχού παρών στην κοσμολογία και υπόσχεται να εξηγήσει πολλά ακόμη, συμπεριλαμβανομένης και της προέλευσης δομών, όπως είναι οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών.

Πηγή: Physical Review Focus

Υπάρχουν κατατοπιστικά άρθρα για το παραπάνω θέμα:

• Ο Πληθωρισμός για αρχάριους
• Το πληθωριστικό μοντέλο του σύμπαντος Μία συνάντηση της κοσμολογίας με τη σωματιδιακή φυσική
• 20 χρόνια της θεωρίας του πληθωρισμού
• Τα διάφορα είδη του κενού και ο πληθωρισμός