Мәңгілік инфляция және әмбебаптың гипотезалық моделі

Кіріспе

Гипотетикалық инфляциялық ғалам моделі

Мәңгілік инфляция – гипотетикалық инфляциялық ғалам моделі, ол өзі Үлкен жарылыс теориясының туындысы немесе кеңейтімі. Мәңгілік инфляцияға сәйкес, ғаламның кеңеюінің инфляциялық фазасы ғаламның көп бөлігінде мәңгілікке созылады. Өйткені аймақтар экспоненциалды түрде жылдам кеңейеді, кез келген уақытта ғаламның көлемінің басым бөлігі инфляцияланып жатады. Сондықтан мәңгілік инфляция гипотетикалық шексіз көпқабатты әлемді (мультивсеумды) тудырады, онда инфляцияны тоқтатуға тек ұсақ фракталдық көлем ғана қабілетті. Инфляциялық модельдің алғашқы зерттеушілерінің бірі Пол Штайнхардт 1983 жылы мәңгілік инфляцияның алғашқы мысалын ұсынды, ал Александр Виленкин оның жалпы сипаттағы құбылыс екенін көрсетті. Алан Гуттың 2007 жылғы «Мәңгілік инфляция және оның салдары» атты мақаласында, негізді болжамдар бойынша «Инфляция болашақта әдетте мәңгілік болғанымен, өткенге қарай мәңгілік емес» делінген. Гут сол кездегі тақырып бойынша белгілі барлық мәліметтерді толыққанды баяндады және мәңгілік инфляцияның инфляцияның ықтимал нәтижесі ретінде қарастырылатынын көрсетті, тіпті Штайнхардт мәңгілік инфляцияны алғаш ұсынғаннан кейін 20 жылдан астам уақыт өткен соң да.

Теорияның дамуы

Инфляция немесе инфляциялық ғалам теориясы бастапқыда космологияның сәтті теориясы саналатын Үлкен жарылыс моделімен қалған кейбір мәселелерді шешу үшін жасалды. 1979 жылы Алан Гут ғаламның жазық және біртекті болуын түсіндіру үшін ғаламның инфляциялық моделін ұсынды (бұл ірі масштабта материя мен сәулеленудің тегіс таралуын білдіреді). Негізгі идея – ғаламның Үлкен жарылыстан кейін аз ғана уақыттан соң өте жылдам кеңею кезеңінен өтуі. Ол инфляцияны бастау механизмін ұсынды: жалған вакуум энергиясы. Гут «инфляция» терминін енгізді және бұл теорияны әлемдегі басқа ғалымдармен талқылаған алғашқы адам болды. Гуттың бастапқы тұжырымдамасы мәселелі болды, себебі инфляциялық эпоханы тоқтатудың және бүгінде байқалатын ыстық, изотроптық, біртекті ғаламға жетудің тұрақты жолы болған жоқ. Жалған вакуум жарық жылдамдығымен кеңейетін «нағыз вакуумның» бос «көпіршіктеріне» ыдыраса білгенімен, бос көпіршіктер ғаламды қайта қыздыру үшін біріге алмады, себебі олар кеңейіп жатқан ғаламмен бірге жылдамдап үлкермейтін еді. 1982 жылы Андрей Линде және Андреас Альбрехт пен Пол Штейнхардт бұл «әдемі шығу мәселесін» тәуелсіз түрде шешті, олар инфляцияны бос көпіршіктер жасамай, оның орнына ыстық кеңейіп жатқан ғаламмен қалай аяқтауға болатынын көрсетті. Негізгі идея – жалған вакуумнан нағыз вакуумға үздіксіз «баяу төмендеу» немесе жай эволюция жасау, ешқандай көпіршіктер жасамай. Жақсартылған модель «жаңа инфляция» деп аталды. 1983 жылы Пол Штейнхардт бұл «жаңа инфляцияның» барлық жерде аяқталуы міндетті емес екенін алғашқы болып көрсетті.

Кванттық ауытқулар

Жаңа инфляция инфляция кезінде кванттық ауытқуларға байланысты мүлдем симметриялық ғаламды тудырмайды. Бұл ауытқулар кеңістіктегі әр түрлі нүктелерде энергия мен материя тығыздығының әртүрлі болуына себеп болады. Гипотетикалық инфляциялық өрістегі кванттық ауытқулар мәңгілік инфляцияға жауапты кеңейу жылдамдығының өзгеруін тудырады. Инфляция деңгейі жоғары аймақтар жылдам кеңейіп, ғаламға үстемдік етеді, дегенмен инфляция басқа аймақтарда тоқтап қалады. Бұл инфляцияны мәңгілікке жалғастыруға мүмкіндік береді, болашақта мәңгілік инфляция пайда болады. Қарапайым мысал ретінде, инфляция кезінде инфлатон өрісінің табиғи ыдырауы кванттық флуктуацияның әсеріне қарағанда баяу болады деп болжайық. Микрожұлдыздар көбейіп, "өзін-өзі көбейткенде", мысалы, бастапқы микрожұлдызбен тең өлшемді, себепті байланысты емес, жиырма микрожұлдызға айналғанда, жаңа микрожұлдыздардың тоғызы бастапқы микрожұлдыздан гөрі үлкен, кіші, орташа инфлатондық өрістің мәнін алады, өйткені олар бастапқы микрожұлдыздың кванттық ауытқулары инфлатондық мәнді төмендеткеннен гөрі, инфляцияның баяу ыдырауы инфлатондық мәнді төмендеткен аймақтардан көбейді. Бастапқыда берілген инфлатондық мәнге ие бір шағын ғалам болған; қазір инфлатондық мәндері сәл үлкен тоғыз шағын ғалам бар. (Әрине, сондай-ақ он бір шағын ғалам бар, онда инфлатонның мәні бастапқыдан сәл төмен.) Үлкен инфлатондық өріс мәні бар әрбір шағын ғалам өз ішінде шамамен өзін-өзі көбейтудің ұқсас шеңберін қайта бастайды. (Аталған сандар саны аз, бірақ сандар саны аз болғандықтан, бұл аймақ инфляциядан шығып, өзін-өзі көбейтуді тоқтатады.) Бұл процесс шексіз жалғасады; тоғыз жоғары инфляциялық шағын ғалам 81, содан кейін 729 болуы мүмкін. 1980 жылы Алексей Старобинскийдің модификацияланған гравитация моделі аясында В. Муханов пен Г. Чибисов кванттық ауытқуларды галактикалардың пайда болуына себепші болуы мүмкін деп ұсынды. Инфляция жағдайында кванттық ауытқулар алғаш рет 1982 жылы Кембридж университетінде өте ерте ғалам туралы үш апталық Нюфилд семинарында талдалды. Флуктуациялардың орташа күшін алғаш рет семинар барысында жеке жұмыс істейтін төрт топ есептеген: Стивен Хокинг; Старобинский; Гут және Со Янг Пи; және Джеймс М. Бардин, Пол Штайнхардт және Майкл Тернер. Нюффилдтік семинарда жасалған алғашқы есептеулер орташа ауытқуларға ғана назар аударды, олардың көлемі инфляцияға әсер ету үшін тым аз. Алайда, Стейнхардт ұсынған мысалдардан бастап Коли мен Хасламның 2014 жылғы мақаласы Линденің кванттық ауытқулары Гаусс ақ шуы ретінде үлгіленген хаотикалық инфляция теориясын талдау арқылы мәңгілік инфляция теориясының өміршеңдігіне күмән келтірді. Олар осы танымал сценарийде мәңгілік инфляция шын мәнінде мәңгілік бола алмайтынын көрсетті, ал кездейсоқ шу кеңістікті-уақытты сингулярлықпен толтыруға әкеледі. Бұл Эйнштейн өрісі теңдеулерінің шешімдері шекті уақыт ішінде ауытқуы мүмкін екенін көрсету арқылы дәлелденді. Сондықтан олардың мақаласында кездейсоқ кванттық ауытқуларға негізделген мәңгі инфляция теориясы өмір сүруші теория бола алмайды деген қорытынды шығарылды, ал мультивұзақтардың пайда болуы "әлі де терең зерттеуді қажет ететін ашық сұрақ".

New inflation does not produce a perfectly symmetric universe due to quantum fluctuations during inflation. The fluctuations cause the energy and matter density to be different at different points in space. Quantum fluctuations in the hypothetical inflaton field produce changes in the rate of expansion that are responsible for eternal inflation. Those regions with a higher rate of inflation expand faster and dominate the universe, despite the natural tendency of inflation to end in other regions. This allows inflation to continue forever, to produce future eternal inflation. As a simplified example, suppose that during inflation, the natural decay rate of the inflaton field is slow compared to the effect of quantum fluctuation. When a mini universe inflates and "self reproduces" into, say, twenty causally disconnected mini universes of equal size to the original mini universe, perhaps nine of the new mini universes will have a larger, rather than smaller, average inflaton field value than the original mini universe, because they inflated from regions of the original mini universe where quantum fluctuation pushed the inflaton value up more than the slow inflation decay rate brought the inflaton value down. Originally there was one mini universe with a given inflaton value; now there are nine mini universes that have a slightly larger inflaton value. (Of course, there are also eleven mini universes where the inflaton value is slightly lower than it originally was.) Each mini universe with the larger inflaton field value restarts a similar round of approximate self reproduction within itself. (The mini universes with lower inflaton values may also reproduce, unless its inflaton value is small enough that the region drops out of inflation and ceases self reproduction.) This process continues indefinitely; nine high inflaton mini universes might become 81, then 729 Thus, there is eternal inflation. In 1980, quantum fluctuations were suggested by Viatcheslav Mukhanov and Gennady Chibisov in the context of a model of modified gravity by Alexei Starobinsky to be possible seeds for forming galaxies. In the context of inflation, quantum fluctuations were first analyzed at the three week 1982 Nuffield Workshop on the Very Early Universe at Cambridge University. The average strength of the fluctuations was first calculated by four groups working separately over the course of the workshop: Stephen Hawking; Starobinsky; Guth and So Young Pi; and James M. Bardeen, Paul Steinhardt and Michael Turner. The early calculations derived at the Nuffield Workshop only focused on the average fluctuations, whose magnitude is too small to affect inflation. However, beginning with the examples presented by Steinhardt

A 2014 paper by Kohli and Haslam called into question the viability of the eternal inflation theory, by analyzing Linde's chaotic inflation theory in which the quantum fluctuations are modeled as Gaussian white noise. They showed that in this popular scenario, eternal inflation in fact cannot be eternal, and the random noise leads to spacetime being filled with singularities. This was demonstrated by showing that solutions to the Einstein field equations diverge in a finite time. Their paper therefore concluded that the theory of eternal inflation based on random quantum fluctuations would not be a viable theory, and the resulting existence of a multiverse is "still very much an open question that will require much deeper investigation".