Космическая инфляция и ранняя Вселенная

Инфляция предполагает, что Вселенная пережила кратковременный всплеск экспоненциального расширения в свой первый миг, что решило давние загадки и подготовило почву для всего последующего.

Definition

Космическая инфляция — это гипотетическая эпоха ускоренного, почти экспоненциального расширения в очень ранней Вселенной, обычно движимая потенциальной энергией скалярного поля, которая растягивает крошечную причинно-связанную область, чтобы охватить наблюдаемую Вселенную, и объясняет её однородность и плоскостность.

Scope

Эта тема охватывает мотивацию инфляции в проблемах горизонта, плоскостности и монополей, динамику медленно меняющегося скалярного поля, или инфлатона, которое вызывает ускоренное расширение, разогрев, который завершает инфляцию и наполняет Вселенную материей и излучением, а также общие предсказания, которые делают инфляцию проверяемой.

Core questions

• Почему была предложена инфляция?
• Как скалярное поле вызывает ускоренное расширение?
• Что происходит, когда инфляция заканчивается?

Key concepts

• Проблема горизонта
• Проблема плоскостности
• Проблема монополей
• Поле инфлатона
• Медленное скатывание
• Разогрев
• e-складки

Key theories

Решение проблем горизонта и плоскостности

Всплеск ускоренного расширения приводит к тому, что наблюдаемая Вселенная происходит из единого причинно-связанного участка и сводит пространственную кривизну к нулю, объясняя наблюдаемую однородность и плоскостность.

Инфляция медленного скатывания

Если скалярное поле медленно скатывается по плоскому потенциалу, его почти постоянная плотность энергии ведёт себя как космологическая постоянная и поддерживает экспоненциальное расширение до тех пор, пока поле не достигнет дна и не распадётся, разогревая Вселенную.

Mechanisms

Потенциальная энергия медленно меняющегося скалярного поля доминирует над плотностью энергии и действует как космологическая постоянная, вызывая экспоненциальное расширение, которое выравнивает пространство и разбавляет реликты; когда поле достигает своего потенциального минимума, оно осциллирует и распадается, разогревая Вселенную до состояния горячего Большого взрыва.

Clinical relevance

Инфляция является ведущей теорией начальных условий Вселенной: она объясняет, почему космос однороден и плоский, устраняет избыток монополей в теориях великого объединения и предсказывает почти масштабно-инвариантный спектр возмущений, подтвержденный космическим микроволновым фоном, что делает её центральным, проверяемым столпом современной космологии.

History

Старобинский предложил раннюю инфляционную модель в 1980 году, а Гут представил инфляцию в 1981 году для решения проблем горизонта, плоскостности и монополей; Линде, Альбрехт и Стейнхардт разработали сценарий медленного скатывания в 1982 году, который решил проблемы с первоначальной версией Гута и стал стандартной основой.

Debates

Предсказательная сила и мультивселенная

Поскольку инфляция может происходить во многих моделях и может привести к вечно инфляционной мультивселенной, критики ставят под сомнение её фальсифицируемость, в то время как сторонники указывают на её подтверждённые общие предсказания, оставляя её эпистемологический статус предметом дебатов.

Key figures

• Alan Guth
• Andrei Linde
• Andreas Albrecht
• Paul Steinhardt
• Alexei Starobinsky

Seminal works

• guth1981
• linde1982

Frequently asked questions

Что такое проблема горизонта?

Области на противоположных сторонах неба имеют одинаковую температуру в космическом микроволновом фоне, хотя без инфляции они никогда не могли бы обмениваться светом или теплом; инфляция решает эту проблему, предполагая, что все они произошли из одного небольшого, причинно-связанного участка.

Доказана ли инфляция?

Инфляция прошла важные проверки, особенно почти масштабно-инвариантные, гауссовы флуктуации, наблюдаемые в космическом микроволновом фоне, но она не доказана; обнаружение первичных гравитационных волн через B-модовую поляризацию обеспечило бы гораздо более сильное подтверждение.