Beschrijving en oorsprong van de inflatietheorie

Inflatie theorie brengt ideeën uit de kwantumfysica en deeltjesfysica samen om de vroege momenten van het universum te verkennen, na de oerknal. Volgens de inflatietheorie is het universum in een onstabiele energietoestand gecreëerd, waardoor het universum in zijn vroege momenten snel werd uitgebreid. Een gevolg is dat het universum enorm groter is dan verwacht, veel groter dan de grootte die we met onze telescopen kunnen waarnemen. Een ander gevolg is dat deze theorie enkele eigenschappen voorspelt - zoals de uniforme verdeling van energie en de platte geometrie van ruimtetijd - die niet eerder werd uitgelegd in het kader van de oerknaltheorie.

Ontwikkeld in 1980 door deeltjesfysicus Alan Guth, wordt de inflatietheorie vandaag de dag algemeen beschouwd als een algemeen geaccepteerde component van de oerknaltheorie, hoewel de centrale ideeën van de oerknaltheorie al jaren goed ingeburgerd waren vóór de ontwikkeling van de inflatietheorie.

De oorsprong van de inflatietheorie

De oerknaltheorie was in de loop der jaren behoorlijk succesvol gebleken, vooral door de ontdekking van de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB). Ondanks het grote succes van de theorie om de meeste aspecten van het universum te verklaren die we zagen, bleven er drie grote problemen over:

• Het homogeniteitsprobleem (of: "Waarom was het universum zo ongelooflijk uniform slechts een seconde na de oerknal ?;" zoals de vraag wordt gepresenteerd in Endless Universe: Beyond the Big Bang)
• Het vlakheidsprobleem
• De voorspelde overproductie van magnetische monopolen

Het oerknalmodel leek een gebogen universum te voorspellen waarin energie helemaal niet gelijkmatig werd verdeeld, en waarin er veel magnetische monopolen waren, die geen van alle overeenkwamen met het bewijsmateriaal.

Deeltjesfysicus Alan Guth hoorde voor het eerst van het vlakheidsprobleem in een lezing in 1978 aan de Cornell University door Robert Dicke. In de komende jaren paste Guth concepten uit de deeltjesfysica toe op de situatie en ontwikkelde een inflatiemodel van het vroege universum.

Guth presenteerde zijn bevindingen tijdens een lezing op 23 januari 1980 in het Stanford Linear Accelerator Centre. Zijn revolutionaire idee was dat de principes van de kwantumfysica in het hart van de deeltjesfysica konden worden toegepast op de vroege momenten van de oerknalcreatie. Het universum zou zijn gecreëerd met een hoge energiedichtheid. Thermodynamica dicteert dat de dichtheid van het universum het zou hebben gedwongen om extreem snel uit te breiden.

Voor degenen die geïnteresseerd zijn in meer detail, zou het universum in wezen zijn gecreëerd in een "vals vacuüm" met het Higgs-mechanisme uitgeschakeld (of, anders gezegd, het Higgs-boson bestond niet). Het zou een proces van superkoeling hebben doorlopen, op zoek naar een stabiele lagere energietoestand (een "echt vacuüm" waarin het Higgs-mechanisme is ingeschakeld), en het was dit superkoelingproces dat de inflatoire periode van snelle expansie leidde.

Hoe snel? Het universum zou elke 10 verdubbeld zijn^-35 seconden. Binnen 10^-30 seconden, zou het universum 100.000 keer zijn verdubbeld, wat meer dan voldoende uitbreiding is om het vlakheidsprobleem te verklaren. Zelfs als het universum kromming had toen het begon, zou zoveel expansie ervoor zorgen dat het vandaag vlak lijkt. (Bedenk dat de grootte van de aarde groot genoeg is om ons plat te laten lijken, ook al weten we dat het oppervlak waarop we staan ​​de gebogen buitenkant van een bol is.)

Evenzo wordt energie zo gelijkmatig verdeeld, want toen het begon, waren we een heel klein deel van het universum en dat deel van het universum breidde zich zo snel uit dat als er grote ongelijkmatige energieverdelingen waren, ze te ver weg zouden zijn voor ons om waar te nemen. Dit is een oplossing voor het homogeniteitsprobleem.

De theorie verfijnen

Het probleem met de theorie, voor zover Guth kon zien, was dat zodra de inflatie begon, deze voor altijd zou blijven bestaan. Er leek geen duidelijk afsluitmechanisme aanwezig te zijn.

Als de ruimte zich in dit tempo continu zou uitbreiden, zou een eerder idee over het vroege universum, gepresenteerd door Sidney Coleman, niet werken. Coleman had voorspeld dat fase-overgangen in het vroege universum plaatsvonden door het creëren van kleine bubbels die samenvloeiden. Met de inflatie op hun plaats, bewogen de kleine bellen te snel van elkaar af om ooit samen te vloeien.

Gefascineerd door het vooruitzicht, viel de Russische fysicus Andre Linde dit probleem aan en besefte dat er een andere interpretatie was die dit probleem oploste, terwijl aan deze kant van het ijzeren gordijn (dit was de jaren 1980, weet je nog) Andreas Albrecht en Paul J. Steinhardt kwamen met een vergelijkbare oplossing.

Deze nieuwere variant van de theorie is degene die in de loop van de jaren 1980 echt grip heeft gekregen en uiteindelijk onderdeel is geworden van de gevestigde oerknaltheorie.

Andere namen voor de inflatietheorie

Inflatie theorie gaat door verschillende andere namen, waaronder: