Введение

Гипотетическое поле, которое могло обусловить космическую инфляцию – частица/квантовое поле, постулируемое в космологии. Инфлатонное поле – это гипотетическое скалярное поле, которое, как предполагается, вызвало космическую инфляцию в самые ранние моменты существования Вселенной. Поле, первоначально постулированное Аланом Гутом, представляет собой расширяющееся вакуумное состояние с высокой потенциальной энергией, которое претерпевает фазовый переход к истинному вакууму, за которым следуют медленный прокат и перегрев.

Расширяющееся вакуумное состояние с высокой потенциальной энергией

В квантовой теории поля вакуумное состояние, или вакуум, – это состояние квантовых полей, характеризующееся локально минимальной потенциальной энергией. Квантовые частицы являются возбуждениями, отклоняющимися от этого состояния минимальной потенциальной энергии, следовательно, вакуумное состояние не содержит частиц. В зависимости от конкретной квантовой теории поля, может существовать более одного вакуумного состояния. Различные вакуумы, несмотря на то, что все они "пусты" (не содержат частиц), как правило, обладают разной энергией вакуума. Квантовая теория поля постулирует, что давление энергии вакуума всегда отрицательно и по величине равно его плотности энергии. Инфляционная теория предполагает существование вакуумного состояния с очень большой энергией вакуума, обусловленного ненулевым вакуумным ожидаемым значением поля инфлатона. Любая область пространства, находящаяся в этом состоянии, будет быстро расширяться. Даже если изначально она не пуста (содержит некоторые частицы), очень быстрое экспоненциальное расширение приведет к практически полному разбавлению плотности частиц.

Фазовый переход к истинному вакууму

Инфляционная теория далее постулирует, что это состояние "инфляционного вакуума" не является состоянием с глобально минимальной энергией; скорее, это "ложный вакуум", также известный как метастабильное состояние. Для каждого наблюдателя в любой выбранной точке пространства ложный вакуум в конечном итоге туннелирует в состояние с той же потенциальной энергией, но которое не является вакуумом (оно не находится в локальном минимуме потенциальной энергии – оно может "распадаться"). Это состояние можно рассматривать как истинный вакуум, заполненный большим количеством частиц инфлатона. Однако скорость расширения истинного вакуума в этот момент не изменяется: меняется лишь его экспоненциальный характер, переходящий к гораздо более медленному расширению метрики FLRW. Это обеспечивает точное соответствие скорости расширения плотности энергии.

Медленный прокат и перегрев

В истинном вакууме частицы инфлатона распадаются, в конечном итоге порождая наблюдаемые частицы Стандартной модели. Форма функции потенциальной энергии вблизи "выхода из туннеля" из ложного вакуумного состояния должна иметь пологий наклон, иначе образование частиц было бы ограничено границей расширяющейся истинной вакуумной пузыри, что противоречит наблюдениям (наша Вселенная не состоит из огромных полностью пустых пузырей). Иными словами, квантовое состояние должно "медленно скатываться к минимуму". Когда распад частиц инфлатона завершается, пространство заполняется горячей и плотной плазмой Большого взрыва.

Кванты поля

Как и любое другое квантовое поле, возбуждения поля инфлатона, как ожидается, будут квантованы. Кванты поля инфлатона известны как инфлатоны. В зависимости от смоделированной плотности потенциальной энергии, основное состояние поля инфлатона может быть, а может и не быть равным нулю. Термин «инфлатон» соответствует типичному стилю наименований других квантовых частиц – таких как фотон, глюон, бозон и фермион – и происходит от слова «инфляция». Впервые этот термин был использован в статье Нанопулоса, Олив и Средницкого (1983). Природа поля инфлатона в настоящее время неизвестна. Одной из сложностей в определении его свойств является то, что современная квантовая теория не способна корректно предсказать наблюдаемую энергию вакуума, исходя из состава частиц выбранной теории (см. вакуумная катастрофа). Аткинс (2012) предположил, что возможно, не требуется вводить новое поле – что модифицированная версия поля Хиггса может выполнять функцию инфлатона.