Вечная инфляция - Eternal inflation

Вечная инфляция это гипотетический инфляционная вселенная модель, которая сама по себе является результатом или продолжением Большой взрыв теория.

Согласно вечной инфляции, инфляционная фаза расширения Вселенной длится вечно на большей части Вселенной. Поскольку области расширяются экспоненциально быстро, большая часть объема Вселенной в любой момент времени раздувается. Таким образом, вечная инфляция создает гипотетически бесконечное мультивселенная, в котором лишь незначительное фрактал объем прекращает инфляцию.

Пол Стейнхардт, один из первых исследователей инфляционной модели, представил первый пример вечной инфляции в 1983 году,[1] и Александр Виленкин показал, что он универсален.[2]

Алан Гут документ 2007 г. "Вечная инфляция и ее последствия",[3] утверждает, что при разумных предположениях «Хотя инфляция в целом вечна в будущем, она не вечна в прошлом». Гут подробно рассказал о том, что было известно об этом предмете в то время, и продемонстрировал, что вечная инфляция все еще считается вероятным результатом инфляции, спустя более 20 лет после того, как вечная инфляция была впервые введена Стейнхардтом.

Обзор

Развитие теории

Основная статья: Зарождение пузырьков

Инфляция, или теория инфляционной Вселенной, изначально была разработана как способ преодоления нескольких оставшихся проблем с тем, что в противном случае считалось успешной теорией космологии, моделью Большого взрыва.

В 1979 году Алан Гут представил инфляционную модель Вселенной, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская и однородная (что относится к плавному распределению материи и излучения в больших масштабах).[4] Основная идея заключалась в том, что Вселенная пережила период быстро ускоряющегося расширения через несколько мгновений после Большого взрыва. Он предложил механизм, вызывающий инфляцию: ложный вакуум энергия. Гут ввел термин «инфляция» и был первым, кто обсудил теорию с другими учеными всего мира.

Первоначальная формулировка Гута была проблематичной, поскольку не существовало последовательного способа положить конец инфляционной эпохе и положить конец горячим, изотропный Однородная Вселенная наблюдается сегодня. Хотя ложный вакуум мог распадаться на пустые «пузыри» «истинного вакуума», которые расширялись со скоростью света, пустые пузыри не могли слиться, чтобы повторно нагреть Вселенную, потому что они не могли угнаться за оставшейся надувающейся Вселенной.

В 1982 году это "проблема изящного выхода "было решено независимо Андрей Линде и по Андреас Альбрехт и Пол Дж. Стейнхардт[5] кто показал, как положить конец инфляции, не создавая пустых пузырей, а вместо этого получить горячую расширяющуюся Вселенную. Основная идея заключалась в том, чтобы иметь непрерывный "медленный" или медленный переход от ложного вакуума к истинному без образования пузырьков. Усовершенствованная модель получила название «новая инфляция».

В 1983 году Пол Стейнхардт первым показал, что эта «новая инфляция» не должна заканчиваться везде.[1] Вместо этого он может закончиться только конечным участком или горячим пузырем, полным материи и излучения, и эта инфляция продолжается в большей части Вселенной, создавая горячий пузырь за горячим пузырем по пути. Александр Виленкин показал, что при правильном учете квантовых эффектов это действительно характерно для всех новых моделей инфляции.[2]

Используя идеи, предложенные Стейнхардтом и Виленкиным, Андрей Линде в 1986 году опубликовал альтернативную модель инфляции, в которой эти идеи были использованы для подробного описания того, что стало известно как теория хаотической инфляции или вечная инфляция.[6]

Квантовые флуктуации

Новая инфляция не создает идеально симметричную Вселенную из-за квантовых флуктуаций во время инфляции. Колебания вызывают различие энергии и плотности вещества в разных точках пространства.

Квантовые колебания в поле гипотетической инфляции вызывают изменения в скорости расширения, которые ответственны за вечную инфляцию. Регионы с более высоким уровнем инфляции расширяются быстрее и доминируют во Вселенной, несмотря на естественную тенденцию прекращения инфляции в других регионах. Это позволяет инфляции продолжаться вечно, порождая вечную инфляцию в будущем. В качестве упрощенного примера предположим, что во время инфляции естественная скорость убывания надувной поле медленное по сравнению с эффектом квантовой флуктуации. Когда мини-вселенная раздувается и "самовоспроизводится", скажем, в двадцать причинно-несвязанных мини-вселенных, равных по размеру исходной мини-вселенной, возможно, девять из новых мини-вселенных будут иметь больше, чем меньше, среднее значение поля инфлатона, чем исходная мини-вселенная, потому что они надувались из областей исходной мини-вселенной, где квантовая флуктуация подтолкнула значение инфлатона вверх больше, чем медленная скорость затухания инфляции снизила его значение. Первоначально существовала одна мини-вселенная с заданным значением инфлатона; теперь есть девять мини-вселенных, у которых значение инфлатона немного больше. (Конечно, есть также одиннадцать мини-вселенных, в которых значение инфлатона немного ниже, чем оно было изначально.) Каждая мини-вселенная с большим значением поля инфлатона перезапускает аналогичный цикл приблизительного самовоспроизведения внутри себя. (Мини-вселенные с более низкими значениями инфлатона также могут воспроизводиться, если их значение инфлатона не достаточно мало, чтобы область выпала из инфляции и прекратила самовоспроизведение.) Этот процесс продолжается бесконечно; девять мини-вселенных с высоким уровнем инфлатона могут стать 81, затем 729 ... Таким образом, существует вечная инфляция.[7]

В 1980 г. квантовые флуктуации были предложены Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов[8][9] в Советском Союзе в контексте модели модифицированной гравитации Алексей Старобинский[10] быть возможными зародышами для образования галактик.

В контексте инфляции квантовые флуктуации были впервые проанализированы на трехнедельном семинаре Наффилда 1982 года по очень ранней Вселенной в Кембриджском университете.[11] Средняя сила колебаний была сначала рассчитана четырьмя группами, работающими отдельно в течение семинара: Стивен Хокинг;[12] Старобинский;[13] Гут и Со-Юнг Пи;[14] и Джеймс М. Бардин, Пол Стейнхардт и Майкл Тернер.[15]

Ранние расчеты, проведенные в Nuffield Workshop, были сосредоточены только на средних колебаниях, величина которых слишком мала, чтобы повлиять на инфляцию. Однако, начиная с примеров, представленных Стейнхардтом[1] и Виленкин,[2] Позже было показано, что та же самая квантовая физика порождает случайные большие колебания, которые увеличивают уровень инфляции и поддерживают ее вечно.

Дальнейшие разработки

Анализируя данные спутника Planck за 2013 год, Анна Иджас и Пол Стейнхардт показали, что простейшие инфляционные модели из учебников были исключены, а оставшиеся модели требуют экспоненциально более точных начальных условий, большего количества настраиваемых параметров и меньшей инфляции. Более поздние наблюдения Planck, опубликованные в 2015 году, подтвердили эти выводы.[16][17]

Статья Кохли и Хаслама в 2014 году поставила под сомнение жизнеспособность теории вечной инфляции, проанализировав теорию хаотической инфляции Линде, в которой квантовые флуктуации моделируются как гауссовский белый шум.[18] Они показали, что в этом популярном сценарии вечная инфляция на самом деле не может быть вечной, а случайный шум приводит к тому, что пространство-время заполняется сингулярностями. Это было продемонстрировано, показав, что решения уравнений поля Эйнштейна расходятся за конечное время. Таким образом, в их статье сделан вывод, что теория вечной инфляции, основанная на случайных квантовых флуктуациях, не будет жизнеспособной теорией, и возникающее в результате существование мультивселенной «все еще остается открытым вопросом, который потребует более глубокого исследования».

Инфляция, вечная инфляция и мультивселенная

В 1983 году было показано, что инфляция может быть вечной, что приведет к мультивселенная в котором пространство разбито на пузыри или участки, свойства которых различаются от патча к патчу, охватывая все физические возможности.

Пол Стейнхардт, создавший первый пример вечной инфляции,[1] в конце концов стал ярым и ярым противником теории. Он утверждал, что мультивселенная представляет собой крах теории инфляции, потому что в мультивселенной возможен любой исход, поэтому инфляция не дает никаких прогнозов и, следовательно, не поддается проверке. Следовательно, утверждал он, инфляция не является ключевым условием для научная теория.[19][20]

И Линде, и Гут, однако, продолжали поддерживать теорию инфляции и мультивселенную. Гут заявил:

Трудно построить модели инфляции, которые не приводят к мультивселенной. Это не невозможно, поэтому я думаю, что определенно необходимо провести исследования. Но большинство моделей инфляции действительно приводят к мультивселенной, и доказательства инфляции подталкивают нас к серьезному восприятию идеи мультивселенной.[21]

По словам Линде, «можно изобрести модели инфляции, которые не допускают мультивселенную, но это сложно. Каждый эксперимент, повышающий доверие к теории инфляции, приближает нас к намекам на то, что мультивселенная реальна».[21]

В 2018 г. Стивен Хокинг и Томас Хертог опубликовал статью, в которой потребность в бесконечной мультивселенной исчезает, поскольку Хокинг описывает, что их теория дает вселенные «достаточно гладкие и глобально конечные».[22][23] Теория использует голографический принцип Чтобы определить «план выхода» из вневременного состояния вечной инфляции, вселенные, которые генерируются на этом плане, описываются с использованием переопределения безграничный волновая функция, на самом деле теория требует границы в начале времени.[24] Проще говоря, Хокинг говорит, что их результаты «предполагают значительное сокращение мультивселенной», что, как указывает Кембриджский университет, делает теорию «предсказуемой и проверяемой» с использованием гравитационно-волновая астрономия.[25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Гиббонс, Гэри В.; Хокинг, Стивен В.; Сиклос, S.T.C., ред. (1983). «Естественная инфляция». Самая ранняя Вселенная. Издательство Кембриджского университета. С. 251–66. ISBN  978-0-521-31677-4.
  2. ^ а б c Виленкин, Александр (1983). «Рождение инфляционных вселенных». Физический обзор D. 27 (12): 2848–2855. Bibcode:1983ПхРвД..27.2848В. Дои:10.1103 / PhysRevD.27.2848.
  3. ^ Гут, Алан Х. (2007). «Вечная инфляция и ее последствия». J. Phys. А. 40 (25): 6811–6826. arXiv:hep-th / 0702178. Bibcode:2007JPhA ... 40.6811G. Дои:10.1088 / 1751-8113 / 40/25 / S25. S2CID  18669045.
  4. ^ Гут, Алан Х. (1981). «Инфляционная вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности». Phys. Ред. D. 23 (2): 347–356. Bibcode:1981ПхРвД..23..347Г. Дои:10.1103 / PhysRevD.23.347.
  5. ^ Albrecht, A .; Стейнхардт П. Дж. (1982). "Космология для теорий Великого Объединения с радиационно-индуцированным нарушением симметрии". Phys. Rev. Lett. 48 (17): 1220–1223. Bibcode:1982ПхРвЛ..48.1220А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.48.1220.
  6. ^ Линде, А.Д. (август 1986 г.). «Вечно существующая самовоспроизводящаяся хаотическая инфляционная Вселенная» (PDF). Письма по физике B. 175 (4): 395–400. Bibcode:1986ФЛБ..175..395Л. Дои:10.1016/0370-2693(86)90611-8.
  7. ^ Линде, Андрей. «Инфляционная космология». Инфляционная космология. Springer Berlin Heidelberg, 2008. 1-54.
  8. ^ Муханов, ВячеславФ .; Чибисов, Г. В. (1981). «Квантовая флуктуация и« несингулярная »вселенная». Письма в ЖЭТФ. 33: 532–5. Bibcode:1981JETPL..33..532M.
  9. ^ Муханов, Вячеслав Ф. (1982). «Энергия вакуума и крупномасштабная структура Вселенной». Советская физика в ЖЭТФ. 56: 258–65.
  10. ^ Старобинский, А.А. (1979). «Спектр реликтового гравитационного излучения и раннее состояние Вселенной» (PDF). ЖЭТФ Lett. 30: 682. Bibcode:1979JETPL..30..682S.
  11. ^ См. Популярное описание мастерской у Guth (1997), или Самая ранняя Вселенная, ISBN  0521316774 редакторов Хокинга, Гиббона и Сиклоса за более подробный отчет
  12. ^ Хокинг, С. (1982). «Развитие неоднородностей в раздутой Вселенной с одним пузырем». Письма по физике B. 115 (4): 295–297. Bibcode:1982ФЛБ..115..295Х. Дои:10.1016/0370-2693(82)90373-2.
  13. ^ Старобинский, Алексей А. (1982). «Динамика фазового перехода в сценарии новой инфляционной Вселенной и генерация возмущений». Письма по физике B. 117 (3–4): 175–8. Bibcode:1982ФЛБ..117..175С. Дои:10.1016 / 0370-2693 (82) 90541-Х.
  14. ^ Guth, A.H .; Пинг, Со-Янг (1982). «Колебания в новой инфляционной Вселенной». Phys. Rev. Lett. 49 (15): 1110–3. Bibcode:1982ПхРвЛ..49.1110Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.49.1110.
  15. ^ Бардин, Джеймс М .; Steinhardt, Paul J .; Тернер, Майкл С. (1983). «Самопроизвольное создание почти безмасштабных возмущений плотности в инфляционной Вселенной». Физический обзор D. 28 (4): 679–693. Bibcode:1983ПхРвД..28..679Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.28.679.
  16. ^ Ииджас, Анна; Лоеб, Авраам; Стейнхардт, Пол (2013). «Инфляционная парадигма в беде после Planck 2013». Phys. Lett. B. 723 (4–5): 261–266. arXiv:1304.2785. Bibcode:2013ФЛБ..723..261И. Дои:10.1016 / j.physletb.2013.05.023. S2CID  14875751.
  17. ^ Ииджас, Анна; Steinhardt, Paul J .; Лоеб, Авраам (2014). «Инфляционный раскол». Phys. Lett. B. 7: 142–146. arXiv:1402.6980. Bibcode:2014ФЛБ..736..142И. Дои:10.1016 / j.physletb.2014.07.012. S2CID  119096427.
  18. ^ Иджас, Анна; Steinhardt, Paul J .; Лоеб, Авраам (2015). «Математические вопросы в вечной инфляции». Учебный класс. Квантовая гравитация. 32 (7): 075001. arXiv:1408.2249. Bibcode:2015CQGra..32g5001S. Дои:10.1088/0264-9381/32/7/075001. S2CID  119321525.
  19. ^ Стейнхардт, Пол Дж. (Апрель 2011 г.). «Дебаты об инфляции: действительно ли теория, лежащая в основе современной космологии, глубоко ошибочна?» (PDF). Scientific American. 304 (4): 36–43. Bibcode:2011SciAm.304d..36S. Дои:10.1038 / scientificamerican0411-36. PMID  21495480.
  20. ^ http://www.physics.princeton.edu/~steinh/vaasrev.pdf
  21. ^ а б «Наша Вселенная может существовать в мультивселенной, предполагает открытие космической инфляции». Space.com.
  22. ^ ЧоМай. 2, Адриан; 2018; Вечерняя сессия, 17:55 (2 мая 2018). «(Почти) последняя статья Стивена Хокинга: положить конец началу вселенной». Наука | AAAS. Получено 15 октября 2020.CS1 maint: числовые имена: список авторов (связь)
  23. ^ Хокинг, С. У .; Хертог, Томас (27 апреля 2018 г.). "Плавный выход из вечной инфляции?". Журнал физики высоких энергий. 2018 (4): 147. arXiv:1707.07702. Bibcode:2018JHEP ... 04..147H. Дои:10.1007 / JHEP04 (2018) 147. ISSN  1029-8479. S2CID  13745992.
  24. ^ "До Большого взрыва 5: Предложение об отсутствии границ". YouTube. парашютист. 7 ноября 2017 г.. Получено 16 октября 2020.
  25. ^ «Укрощение мультивселенной: последняя теория Стивена Хокинга о большом взрыве». Кембриджский университет. 2 мая 2018. Получено 15 октября 2020.

внешняя ссылка