Inflația (cosmologie)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În cosmologie, inflația (de la termenul englezesc inflare , care a păstrat și sensul original al „inflației” derivat din latinescul inflatio ) este o teorie care presupune că universul , la scurt timp după Big Bang , a trecut printr-o fază de expansiune extrem de rapid, datorită unei presiuni negative mari.

Se estimează că inflația a avut loc în jur 10 × 10 −35 s de la Big Bang, a durat în jur de 10 −30 s și a crescut raza universului cu un factor imens, între 10 25 și 10 30 (aproximativ un miliard de miliarde de miliarde de ori). Ipoteza predominantă este că a fost generată de un câmp energetic numit inflaton , probabil provenind dintr-o stare instabilă din cauza ruperii spontane non-imediate a forțelor fundamentale după o tranziție de fază cuantică ; acest câmp, caracterizat printr-o mare energie cu punct zero, și- ar fi asumat rolul de constantă cosmologică , provocând expansiunea aproape exponențială a universului. [1] La sfârșitul scurtei faze inflaționiste, expansiunea se va relua la ritmul anterior conform cosmologiei standard . [2]

Teoria a fost propusă inițial de Alexei Starobinski [3] [4] în Uniunea Sovietică și simultan de Alan Guth [5] [6] în Statele Unite ale Americii la începutul anilor 1980.

Ipoteza inflației aplicată teoriei Big Bang

Nașterea universului inflaționist

Expansiunea inflaționistă poate fi introdusă în modele printr-o constantă cosmologică diferită de zero, care, spre deosebire de modelul tradițional Big Bang , ar fi împins două obiecte într-un ritm din ce în ce mai rapid până când ar fi rupt bariera vitezei luminii . [7] Acest lucru ne permite să facem ipoteza că întregul univers s-ar fi putut dezvolta dintr-o regiune conectată cauzal, adică atât de mică încât lumina a reușit să o traverseze în întregime, determinându-i echilibrul termic, în timpul foarte scurt scurs între „naștere” „și începutul fazei inflaționiste. Datorită acesteia din urmă, omogenitatea inițială, de exemplu a temperaturii și densității, ar fi putut fi extinsă și la o scară superluminală, adică la regiuni care lumina, pe baza vârstei estimate a universului, nu a fost încă capabilă să se conecteze ( problema orizontului ), justificând izotropia fundalului cosmic cu microunde .

În plus față de orizont, ipoteza inflației cosmice rezolvă mai multe probleme conceptuale relevante sau paradoxuri care au afectat teoria standard a Big Bang-ului. Acestea includ problema planetei Universului (adică faptul că Universul pare a fi descris în mod optim printr-o geometrie cu curbură exact egală cu 0) și absența defectelor topologice observate (de exemplu, monopolurile magnetice ), care în schimb ar fi fi prevăzut de multe teorii ale marii uniri .

Anumite modele inflaționiste permit, de asemenea, eliminarea singularității inițiale a Big Bang-ului, teorizând că inflația s-ar fi putut dezvolta dintr-o fluctuație a energiei unei micro-regiuni a spațiului-timp gol (în sens cuantic), o fluctuație care ar fi identificată cu Big Bang-ul în sine (vezi și Cosmologia cuantică ).

Fluctuațiile cuantice din regiunea microscopică mărită de inflație la dimensiunile cosmice ar fi la originea unor mici omogenități gravitaționale instabile, care au crescut pentru a da naștere unor structuri precum galaxii , grupuri de galaxii etc. (vezi și formarea galaxiilor ).

Curbura spațiului-timp care tinde la zero

Modelul standard al inflației prezice un univers aproape plat (curbura poate să nu fie 0, dar diferența ar fi neglijabilă în practică) și invarianța la scară a fluctuațiilor de fundal cosmice ale microundelor . Există, de asemenea, predicții despre fizica particulelor apropiate de energia marii unificări . În anii 1980 au existat numeroase încercări de a corela câmpul care generează energia de vid care provoacă inflația cu câmpuri specifice prezise de teoriile marii unificări sau invers pentru a utiliza observația universului ca constrângere pentru aceste teorii. Aceste eforturi nu au avut succes și natura exactă a câmpului care a declanșat inflația și particula sa ( inflatonul ) rămâne o teorie fără niciun sprijin experimental.

Inflația și curbura

Conform celor mai acreditate teorii, inflatonul a fost cel care a întins spațiul datorită creării unei forțe anti-gravitaționale . Astfel, conform modelului inflaționist, planeitatea universului, în detrimentul unei geometrii închise saudeschise , este strâns legată de uniformitatea cosmosului. Modelul inflaționist, însă, a arătat unele limitări după observațiile făcute în ultimii ani de supernove și grupuri de galaxii , ceea ce i-a determinat pe astronomi să opteze pentru ipoteza unui univers curbat și deschis. A fost o sarcină fundamentală a savanților, începând cu sfârșitul anilor nouăzeci , să caute explicații alternative care într-un fel nu au afectat modelul inflaționist; pentru a face acest lucru, s-a formulat ipoteza că există o energie suplimentară care ar curba spațiul indiferent de modelul luat în considerare. [7]

Universul cu bule

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Inflația eternă , Inflația haotică și Multiversul .

În unele modele inflaționiste se postulează existența unor universuri infinite, ca și cum ar fi bule separate de spații goale imense, care s-ar fi dezvoltat din decăderea unei stări metastabile originale. Cu toate acestea, această teorie este nedemonstrabilă, deoarece este conceptual imposibil să studiezi lucruri în afara universului nostru.

Observații experimentale

2006: experimente BOOMERanG și WMAP

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: experiment BOOMERanG și WMAP .

În 2006 măsurătorile de anizotropie ale radiației cosmice de fundal prin experimente pe un balon stratosferic precum BOOMERanG și prin satelit precum WMAP au produs date în acord excelent cu previziunile teoretice ale inflației [8] [9] . Inflația ipotezei speculative a devenit, prin urmare, un model teoretic falsificabil .

2009-13: satelit Planck

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Planck Surveyor .

Din 2014 sunt așteptate noi rezultate [10] din cercetările privind datele colectate de satelitul Planck în perioada sa de funcționare (2009-13), care ar putea arunca o nouă lumină asupra teoriilor inflaționiste [11] [12] .

2014: colaborare BICEP2

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: BICEP .

La 17 martie 2014, a fost anunțat rezultatul unei cercetări (colaborare BICEP2) efectuată de Harvard CMB Group cu radiotelescopul instalat la baza Amundsen-Scott de la polul sud , care ar arăta prima dovadă experimentală directă a inflației cosmice [ 13] [14] .

Acest rezultat a fost infirmat de un nou studiu propus spre publicare în revista „Physical Review Letters” [10] [15] .

Articolul științific [16] publicat pe 19 iunie 2014 conține o notă adăugată în apendice care discută despre posibila influență pe care praful cosmic a avut-o asupra măsurării. La 19 septembrie 2014, colaborarea Planck a publicat rezultatele [17] măsurării polarizării cauzate de praful galactic , reducând importanța rezultatelor colaborării BICEP: efectul cauzat de praful galactic are aceeași dimensiune ca și polarizarea măsurată prin BICEP2; prin urmare, nu este încă posibil să se stabilească dacă modelul inflaționist este corect. Valurile gravitaționale au fost descoperite în sfârșit în 2016, dar nu au fost încă dovezi ale inflației.

Critici ale teoriei inflației

Paul Steinhardt , unul dintre fondatorii [18] teoriei inflației, a devenit foarte critic față de aceasta în ultimii ani. [19] [20] Inițial, confruntat cu confirmarea inflației cu datele BICEP2, și-a abandonat teoria universului ecpirotic pentru a-și revizui poziția față de modelul inflaționist, dar la scurt timp a revenit sceptic cu privire la acesta din urmă. [21]

Criticii se plâng și de lipsa falsificabilității , ceea ce ar face teoria neștiințifică. [22]

Sir Roger Penrose , cândva susținător al Big Bang-ului clasic și astăzi al unei teorii numite cosmologie ciclică conformă (CCC) afirmă că, în fața propriilor sale rezultate teoretice și a observațiilor ulterioare (care, după mulți, ar confirma inflația), Teoriile majorității în rândul fizicienilor nu sunt verificate conform lui: în special teoria inflaționistă - pe care a criticat-o întotdeauna - este definită ca o „fantezie”, în timp ce teoria corzilor este respinsă ca un fenomen „de modă” și o „credință” [23] , pe care fizicienii ar insista din greșeală ca o scurtătură care merge împotriva relativității generale, așa cum au făcut deja cu supersimetria sau numeroasele interpretări timpurii ale relativității, până când Einstein a fixat teoria cu propriile sale calcule, unde toate celelalte au eșuat. [24] În ceea ce privește teoria inflaționistă, el a afirmat:

„Când am auzit prima dată de asta, am fost îngrozit. Acesta servește pentru a explica de ce Universul este uniform și plat: faza de expansiune foarte rapidă, numită inflație și care a avut loc la câteva momente după Big Bang, ar fi întins și aplatizat toate neregulile. Dar avem nevoie de o fizică inventată ad hoc, începând cu inflatonul, o particulă a cărei existență servește doar pentru a justifica inflația. Este o teorie „artificială”, care nu rezolvă problema fundamentală despre originea Universului: ce este cu adevărat Big Bang-ul? Explozia din care a provenit totul nu este, așa cum ți-ai putea imagina, inversul unei găuri negre care se prăbușește pe sine. În timp ce masa este dominată de gravitație în prăbușirea unei găuri negre, gravitația este suprimată în Big Bang. Iar inflația nu explică de ce ".

( Roger Penrose [25] )

De exemplu, potrivit criticilor, nu s-ar putea vedea o sclipire de lumină din presupusul Big Bang, dacă viteza luminii nu ar fi în niciun caz mai rapidă decât cea a galaxiilor în retragere, în timp ce inflația susține că expansiunea a fost mai rapidă. lumină, dar în același timp am vedea urmele acelei lumini primordiale; în CCC nu ar exista astfel de contradicții. [24] [26] [27]

Mai mult, rezultatele BICEP2 par să intre în conflict cu cele colectate ulterior de Planck Surveyor. [28]

Notă

  1. ^ Stephen Hawking , Theory of Everything. Originea și destinul universului , pp. 85-91.
  2. ^ (EN) Universul foarte timpuriu , pe britannica.com. Adus pe 29 noiembrie 2017 .
  3. ^ Pisma Zh. Eksp. Teoretic. Fiz. 30, 719 (1979)
  4. ^ AA Starobinski , Un nou tip de modele cosmologice izotrope fără singularitate , în Physics Letters , B91, 24 martie 1980, pp. 99-102.
  5. ^ Seminar SLAC , la 10-35 de secunde după Big Bang , 23 ianuarie 1980. vezi Guth (1997), pg 186
  6. ^ AH Guth, Universul inflaționist: o soluție posibilă la problemele orizontului și planeității , Phys. Rev. D 23 , 347 (1981).
  7. ^ a b Martin A. Bucher și David N. Sperger, Inflația la un univers cu densitate redusă , în Le Scienze , n. 367, pp. 54-61.
  8. ^ O măsurare a Omega din zborul de testare nord-american al BOOMERANG , pe arxiv.org . Adus la 24 ianuarie 2009 .
  9. ^ Un univers plat din hărți de înaltă rezoluție ale radiației de fundal a microundelor cosmice , pe arxiv.org . Adus la 24 ianuarie 2009 .
  10. ^ a b Media INAF: Inflația: există dovezi , pe media.inaf.it . Adus pe 19 martie 2014 .
  11. ^ Obiectivele cheie ale satelitului Planck , pe sci.esa.int . Adus la 18 martie 2014 .
  12. ^ O altă piesă a puzzle-ului despre originea cosmosului este acum analizată , su sci.esa.int . Adus la 18 martie 2014 .
  13. ^ Prima dovadă directă a inflației cosmice , pe cfa.harvard.edu . Adus la 18 martie 2014 .
  14. ^ BICEP2 II: SET DE DATE EXPERIMENT ȘI DE TREI ANI ( PDF ), pe bicepkeck.org . Adus la 18 martie 2014 (arhivat din original la 17 martie 2014) .
  15. ^ Științele, unde gravitaționale, eroarea BICEP2 este oficială , pe lescienze.it , 2 februarie 2015.
  16. ^ (EN) Ade, PAR și colab. (Colaborare BICEP2), Detectarea polarizării B-Mode la scări unghiulare de grad de BICEP2 (PDF), în Physical Review Letters , vol. 112, 19 iunie 2014, p. 241101, Bibcode : 2014PhRvL.112x1101A , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.241101 , arXiv : 1403.3985 . Adus pe 24 decembrie 2014 .
  17. ^ (EN) Echipa de colaborare Planck , rezultate intermediare Planck. XXX. Spectrul de putere unghiulară a emisiei de praf polarizat la latitudini galactice intermediare și înalte , 19 septembrie 2014, arXiv : 1409.5738 . Adus pe 24 decembrie 2014 .
  18. ^ Cosmologie inflaționistă
  19. ^ Teorii despre orice - P. Steinhardt
  20. ^ Dezbaterea despre inflație: Teoria din centrul cosmologiei moderne este profund defectuoasă?
  21. ^ Inflația universului, petrecerea scepticilor crește
  22. ^ Altele decât inflația! Obiecțiile unui sceptic
  23. ^ Sir Roger Penrose: Inflația cosmică este „fantezie” , pe sciencefriday.com . Adus la 20 mai 2014 (arhivat din original la 3 iunie 2014) .
  24. ^ a b În căutarea unui alt Einstein Arhivat 21 mai 2014 la Internet Archive .
  25. ^ Roger Penrose: "Iată Big Bang-ul fizicii"
  26. ^ Damiano Anselmi, Involuția gândirii științifice , pe books.google.it . Adus la 20 mai 2014 (arhivat din original la 20 mai 2014) .
  27. ^ Inflația cosmică are defectele sale, dar și criticii săi
  28. ^ Rezultatele BICEP2 privind inflația și valurile gravitaționale ar putea fi greșite? Arhivat la 30 mai 2014 la Internet Archive .

Elemente conexe

linkuri externe

Nivel avansat
Controlul autorității LCCN ( EN ) sh89007075