Вечная инфляция — это гипотетическая модель инфляционной Вселенной , которая сама по себе является продолжением или расширением теории Большого взрыва .
Согласно вечной инфляции, инфляционная фаза расширения вселенной длится вечно на протяжении большей части вселенной. Поскольку регионы расширяются экспоненциально быстро, большая часть объема вселенной в любой момент времени инфляциируется. Таким образом, вечная инфляция создает гипотетически бесконечную мультивселенную , в которой только незначительный фрактальный объем заканчивает инфляцию.
Пол Стейнхардт , один из первых исследователей инфляционной модели, представил первый пример вечной инфляции в 1983 году [1] , а Александр Виленкин показал, что она является общей. [2] [ необходимо разъяснение ]
В статье Алана Гута 2007 года «Вечная инфляция и ее последствия» [3] утверждается, что при разумных предположениях «хотя инфляция в общем случае 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 по-прежнему считалась вероятным результатом инфляции, даже спустя более 20 лет после того, как вечная инфляция была впервые введена Стейнхардтом.
Теория инфляции, или раздувающейся Вселенной, изначально была разработана как способ преодоления немногих оставшихся проблем с тем, что в остальном 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 претерпела период быстро ускоряющегося расширения через несколько мгновений после Большого взрыва. Он предложил механизм, вызывающий начало инфляции: ложную энергию вакуума . Гут ввел термин «инфляция» и был первым, кто обсуждал эту теорию с другими учеными по всему миру.
Первоначальная формулировка Гута была проблематичной, поскольку не существовало последовательного способа положить конец инфляционной эпохе и прийти к горячей, изотропной , однородной Вселенной, наблюдаемой сегодня. Хотя ложный вакуум мог распадаться на пустые «пузыри» «истинного вакуума», которые расширялись со скоростью света, пустые пузыри не могли объединиться, чтобы снова нагреть Вселенную, поскольку они не могли поспеть за оставшейся раздувающейся Вселенной.
В 1982 году эта « проблема изящного выхода » была решена независимо Андреем Линде и Андреасом Альбрехтом и Полом Дж. Стейнхардтом [5], которые показали, как прекратить инфляцию, не создавая пустых пузырей, и вместо этого получить горячую расширяющуюся вселенную. Основная идея состояла в том, чтобы иметь непрерывный «медленный качок» или медленную эволюцию от ложного вакуума к истинному без создания каких-либо пузырей. Улучшенная модель была названа «новой инфляцией».
В 1983 году Пол Стейнхардт первым показал, что эта «новая инфляция» не обязательно должна закончиться везде. [1] Вместо этого она может закончиться только конечным участком или горячим пузырем, полным материи и излучения, и что инфляция продолжается в большей части Вселенной, производя по пути один горячий пузырь за другим. Александр Виленкин показал, что при правильном включении квантовых эффектов это на самом деле является общим для всех новых моделей инфляции. [2]
Используя идеи, выдвинутые Стейнхардтом и Виленкиным, Андрей Линде опубликовал в 1986 году альтернативную модель инфляции, в которой эти идеи использовались для подробного описания того, что стало известно как теория хаотической инфляции или вечной инфляции. [6]
Новая инфляция не создает идеально симметричную вселенную из-за квантовых флуктуаций во время инфляции. Флуктуации приводят к тому, что плотность энергии и материи становится разной в разных точках пространства.
Квантовые флуктуации в гипотетическом поле инфлатона вызывают изменения в скорости расширения, которые ответственны за вечную инфляцию. Те регионы с более высокой скоростью инфляции расширяются быстрее и доминируют во вселенной, несмотря на естественную тенденцию инфляции заканчиваться в других регионах. Это позволяет инфляции продолжаться вечно, чтобы производить вечную в будущем инфляцию. В качестве упрощенного примера предположим, что во время инфляции естественная скорость распада поля инфлатона медленнее по сравнению с эффектом квантовой флуктуации. Когда мини-вселенная раздувается и «самовоспроизводится» в, скажем, двадцать причинно-несвязанных мини-вселенных такого же размера, как и исходная мини-вселенная, возможно, девять из новых мини-вселенных будут иметь большее, а не меньшее, среднее значение поля инфлатона, чем исходная мини-вселенная, потому что они раздувались из регионов исходной мини-вселенной, где квантовая флуктуация подтолкнула значение инфлатона больше, чем медленная скорость распада инфляции снизила значение инфлатона. Первоначально была одна мини-вселенная с заданным значением инфлатона; теперь есть девять мини-вселенных, которые имеют немного большее значение инфлатона. (Конечно, есть также одиннадцать мини-вселенных, где значение инфлатона немного ниже, чем было изначально.) Каждая мини-вселенная с большим значением поля инфлатона перезапускает аналогичный раунд приблизительного самовоспроизводства внутри себя. (Мини-вселенные с меньшим значением инфлатона также могут воспроизводиться, если только их значение инфлатона не достаточно мало, чтобы область выпала из инфляции и прекратила самовоспроизводство.) Этот процесс продолжается бесконечно; девять мини-вселенных с высоким уровнем инфлатона могут стать 81, затем 729... Таким образом, существует вечная инфляция. [7]
В 1980 году Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов [8] [9] предположили, что квантовые флуктуации в контексте модели модифицированной гравитации Алексея Старобинского [10] могут быть возможными зародышами для формирования 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 флуктуаций была впервые рассчитана четырьмя группами, работавшими отдельно в ходе семинара: Стивен Хокинг ; [12] Старобинский; [13] Гут и Со-Янг Пи ; [14] и Джеймс М. Бардин , Пол Стейнхардт и Майкл Тернер . [15]
Ранние расчеты, полученные на семинаре Наффилда, были сосредоточены только на средних флуктуациях, величина которых слишком мала, чтобы повлиять на инфляцию. Однако, начиная с примеров, представленных Стейнхардтом [1] и Виленкиным [2] , позже было показано, что та же самая квантовая физика производит случайные большие флуктуации, которые увеличивают скорость инфляции и поддерживают инфляцию вечно.
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 настроенных начальных условий, большего количества параметров для корректировки и меньшей инфляции. Более поздние наблюдения Planck, опубликованные в 2015 году, подтвердили эти выводы. [16] [17]
В своей статье 2014 года Кохли и Хаслам поставили под сомнение жизнеспособность теории вечной инфляции, проанализировав хаотическую теорию 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 заполнению пространства-времени сингулярностями. Это было продемонстрировано путем демонстрации того, что решения уравнений поля Эйнштейна расходятся за конечное время. Поэтому в своей статье они пришли к выводу, что теория вечной инфляции, основанная на случайных квантовых флуктуациях, не будет жизнеспособной теорией, и результирующее существование мультивселенной «все еще остается открытым вопросом, который потребует гораздо более глубокого исследования».
В 1983 году было показано, что инфляция может быть вечной, что приводит к мультивселенной , в которой пространство разбито на пузыри или участки, свойства которых различаются от участка к участку, охватывая все физические возможности.
Пол Стейнхардт, который создал первый пример вечной инфляции, [1] в конечном итоге стал ярым и ярым противником этой теории. Он утверждал, что мультивселенная представляет собой крах инфляционной теории, потому что в мультивселенной любой результат одинаково возможен, поэтому инфляция не делает никаких предсказаний и, следовательно, непроверяема. Следовательно, утверждал он, инфляция не соответствует ключевому условию научной теории . [19] [20]
Однако и Линде, и Гут продолжали поддерживать инфляционную теорию и мультивселенную. Гут заявил:
Трудно построить модели инфляции, которые не ведут к мультивселенной. Это не невозможно, поэтому я думаю, что все еще есть исследования, которые нужно провести. Но большинство моделей инфляции ведут к мультивселенной, и доказательства инфляции будут подталкивать нас к тому, чтобы серьезно отнестись к идее мультивселенной. [21]
По словам Линде, «можно изобрести модели инфляции, которые не допускают мультивселенную, но это сложно. Каждый эксперимент, который повышает доверие к инфляционной теории, приближает нас к намекам на реальность мультивселенной». [21]
В 2018 году покойный Стивен Хокинг и Томас Хертог опубликовали статью, в которой необходимость в бесконечной мультивселенной исчезает, поскольку Хокинг говорит, что их теория дает вселенные, которые являются «достаточно гладкими и глобально конечными». [22] [23] Теория использует голографический принцип для определения «плоскости выхода» из вневременного состояния вечной инфляции. Вселенные, которые генерируются на плоскости, описываются с использованием переопределения волновой функции без границ — на самом деле теория требует границы в начале времени. [24] Проще говоря, Хокинг говорит, что их выводы «подразумевают значительное сокращение мультивселенной», что, как указывает Кембриджский университет, делает теорию «предсказательной и проверяемой» с использованием гравитационно-волновой астрономии . [25]