Viena įspūdingiausių ir svarbiausių idėjų šiuolaikinėje kosmologijoje teigia, kad Visata ankstyvojoje raidoje patyrė trumpą, bet itin spartų plėtimosi etapą, vadinamą infliacija. Ši infliacinė epocha, kurią XX a. 8-ojo dešimtmečio pabaigoje ir 9-ojo dešimtmečio pradžioje pasiūlė tokie fizikai kaip Alanas Guthas, Andrej Linde ir kiti, pateikia elegantiškus atsakymus į kelias giliai glūdinčias kosmologines problemas, tarp jų – horizonto ir plokštumo problemas. Dar svarbiau, infliacija padeda paaiškinti, kaip Visatos stambiųjų struktūrų (galaktikų, galaktikų spiečių ir kosminio tinklo) atsiradimas galėjo kilti iš mažyčių, mikroskopinių kvantinių fluktuacijų.
Šiame straipsnyje aptarsime kvantinių fluktuacijų esmę ir kaip sparčios kosminės infliacijos metu jos išsitęsė bei sustiprėjo, galiausiai palikdamos pėdsakus kosminiame mikrobangų fone (KMF) ir tapdamos galaktikų bei kitų Visatos struktūrų užuomazgomis.
2. Pradinė situacija: ankstyvoji Visata ir infliacijos poreikis
2.1 Standartinis Didžiojo sprogimo modelis
Prieš pasiūlant infliacijos idėją, kosmologai Visatos raidą aiškino remdamiesi Standartiniu Didžiojo sprogimo modeliu. Pagal šį požiūrį:
- Visata pradėjo nuo itin tankios, karštos būsenos.
- Jai plečiantis, ji vėso, o materija bei spinduliuotė vyko įvairiomis tarpusavio sąveikomis (lengvųjų elementų branduolių sintezė, fotonų atitrūkimas ir t. t.).
- Ilgainiui, veikiant gravitacinei traukai, susiformavo žvaigždės, galaktikos ir stambiosios struktūros.
Tačiau vien pats Standartinis Didžiojo sprogimo modelis nebuvo pakankamas paaiškinti:
- Horizonto problemą: Kodėl kosminis mikrobangų fonas (KMF) beveik visose kryptimis atrodo toks vienodas, nors teoriškai nemažos Visatos sritys neturėjo galimybės susikeisti informacija (šviesa) nuo Visatos pradžios?
- Plokštumo problemą: Kodėl Visatos geometrija taip artima erdvinei plokštumai, t. y. kodėl materijos ir energijos tankis vos ne tobulai subalansuotas, nors tam reikėtų itin tiksliai suderintų pradinių sąlygų?
- Monopolių (ir kitų reliktų) problemą: Kodėl nenumatyti egzotiniai reliktai (pvz., magnetiniai monopoliai), prognozuojami kai kurių Didžiosios vienijimo teorijų, nėra stebimi?
2.2 Infliacinis sprendimas
Infliacija tvirtina, kad labai ankstyvuoju laiku – maždaug ties 10−36 sekunde po Didžiojo sprogimo (pagal kai kuriuos modelius) – fazių virsmas sukėlė didžiulį, eksponentišką erdvės plėtimąsi. Šis trumpas laikotarpis (trukęs galbūt iki ~10−32 sekundės) padidino Visatos dydį bent 1026 kartų (dažnai nurodomi dar didesni veiksniai), todėl:
- Horizonto problema: Sritys, kurios šiandien atrodo niekada neturėjusios bendro ryšio, iš tikrųjų buvo glaudžiai susijusios prieš infliaciją, o paskui „išpūstos“ labai toli viena nuo kitos.
- Plokštumo problema: Spartus plėtimasis „ištiesina“ bet kokią ankstyvą erdvės kreivę, tad Visata atrodo beveik plokščia.
- Reliktų problemos: Galimi egzotiniai reliktai praretėja taip, kad tampa beveik neaptinkami.
Nors šios savybės įspūdingos, infliacija suteikia ir dar gilesnį paaiškinimą: pačias struktūrų užuomazgas.
3. Kvantinės fluktuacijos: struktūrų sėklos
3.1 Kvantinis neapibrėžtumas pačiuose mažiausiuose masteliuose
Kvantinėje fizikoje Heizenbergo neapibrėžtumo principas teigia, kad laukuose egzistuoja neišvengiamos fluktuacijos itin mažais (subatominiais) masteliais. Šios fluktuacijos ypač reikšmingos bet kokiam Visatą užpildančiam laukui – ypač vadinamajam „infliatonui“, kuris, kaip manoma, sukelia infliaciją, ar kitiems laukams, priklausomai nuo infliacijos modelio.
- Vakuumo fluktuacijos: Net „tuščioje“ vakuumo būsenoje kvantiniai laukai turi nulines energijos taškas (zero-point energy) ir fluktuacijas, kurios sukelia menkus energijos ar amplitudės nukrypimus laike.
3.2 Nuo mikroskopinių bangelių iki makroskopinių perturbacijų
Infliacijos metu erdvė plečiasi eksponentiškai (ar bent jau itin sparčiai). Mažutė fluktuacija, kuri iš pradžių užėmė dalelę srities, tūkstančius kartų mažesnės už protoną, gali tapti astronominiu mastu ištempta. Tiksliau:
- Pradinės kvantinės fluktuacijos: Subplanckiniuose ar artimuose Plancko masteliuose kvantiniai laukai patiria mažus atsitiktinius amplitudės svyravimus.
- Infliacijos ištempimas: Kadangi Visata plečiasi eksponentiškai, šios fluktuacijos „užšąla“, kai tik pasiekia infliacinį horizontą (panašiai kaip šviesa nebegali grįžti, peržengusi besiplečiančios srities ribą). Kai perturbacijos mastelis tampa didesnis už Hablo spindulį infliacijos metu, ji nustoja svyruoti tarsi kvantinė banga ir faktiškai tampa klasikine lauko tankio perturbacija.
- Tankio perturbacijos: Pasibaigus infliacijai, lauko energija virsta įprasta materija ir spinduliuotę. Sritys, kuriose dėl kvantinių fluktuacijų susidarė kiek kitokia lauko amplitudė, atitinkamai tampa kiek kitokio tankio materijos bei spinduliuotės regionais. Būtent tos per/tankesnės ar retesnės sritys tampa užuomazgomis vėlesnei gravitacinei traukai ir struktūrų formavimuisi.
Šis procesas paaiškina, kaip atsitiktinės mikroskopinio lygio fluktuacijos virsta stambiomis Visatos netolygumomis, matomomis šiandien.
4. Mechanizmas detaliau
4.1 Infliatonas ir jo potencialas
Daugelyje infliacijos modelių numanomas hipotetinis skaliarinis laukas, vadinamas infliatonu. Šis laukas turi tam tikrą potencialo funkciją V(φ). Infliacijos metu visą Visatos energijos tankį lemia beveik vien šio lauko potenciali energija, o tai sukelia eksponentišką plėtimąsi.
- Lėto slydimo sąlyga: Kad infliacija truktų pakankamai ilgai, laukas φ turi „lėtai riedėti“ savo potencialu, taigi potencialo energija keičiasi nedaug ganėtinai ilgam laikui.
- Kvantinės infliatono fluktuacijos: Infliatonas, kaip ir kiekvienas kvantinis laukas, patiria fluktuacijas aplink savo vidutinę vertę (vakuumo lygį). Šios kvantinės variacijos regionuose lemia menkus energijos tankio skirtumus.
4.2 Horizonto kirtimas ir fluktuacijų „užšalimas“
Svarbi samprata yra Hablo horizonto (arba Hablo spindulio) idėja infliacijos metu, RH ~ 1/H, kur H – Hablo parametras.
- Subhorizontinė stadija: Kai fluktuacijos yra mažesnės nei Hablo spindulys, jos elgiasi kaip įprastos kvantinės bangos, greitai virpuodamos.
- Horizonto kirtimas: Spartus plėtimasis staigiai ištempia fluktuacijų bangos ilgį. Kai jų fizinis bangos ilgis tampa didesnis už Hablo spindulį, sakome, jog vyksta horizonto kirtimas.
- Viršhorizontinė stadija: Patekus virš horizonto, šios svyravimų virpesiai iš esmės „užšąla“, išlaikydami beveik pastovią amplitudę. Tokiu momentu kvantinės fluktuacijos tampa klasikinėmis perturbacijomis, kurios vėliau nusako medžiagos tankio pasiskirstymą.
4.3 Sugrįžimas į horizontą po infliacijos
Kai infliacija baigiasi (dažnai ties ~10−32 sekunde, pagal daugumą modelių), vyksta perkaitimas (reheating): infliatono energija virsta dalelėmis, taip sukurdama karštą plazmą. Visata pereina į įprastesnę Didžiojo sprogimo evoliuciją, kurioje vyrauja iš pradžių spinduliuotė, vėliau – materija. Kadangi Hablo spindulys dabar auga lėčiau nei per infliaciją, kažkada viršhorizontiniais tapę fluktuacijų masteliai sugrįžta atgal į subhorizontinę sritį ir pradeda daryti įtaką materijos dinamikai, augdami veikiant gravitacinei nestabilumui.
5. Sąsaja su stebėjimais
5.1 Kosminio mikrobangų fono (KMF) anizotropijos
Viena ryškiausių infliacijos sėkmių – prognozės, kad ankstyvojoje Visatoje susidarę tankio fluktuacijos paliks charakteringus temperatūros svyravimus kosminiame mikrobangų fone.
- Mastelio nepaklūstanti (scale-invariant) spektras: Infliacija natūraliai prognozuoja beveik mastelio nepaklūstantį perturbacijų spektrą, t. y. fluktuacijų amplitudė beveik vienoda skirtinguose ilgio masteliuose, su menka „pasviro“ spektru, kurį šiandien galime pastebėti.
- Akustinės viršūnės: Po infliacijos, fotonų–barionų skystyje vykstančios akustinės bangos formuoja aiškias viršūnes KMF galios spektre. TOKIE stebėjimai, pavyzdžiui, COBE, WMAP ir Planck, labai tiksliai išmatuoja šias viršūnes, patvirtindami daugelį infliacinių perturbacijų teorijos bruožų.
5.2 Stambioji struktūra
Tos pačios pirminės fluktuacijos, matomos KMF, ilgainiui per milijardus metų išsivysto į kosminį galaktikų ir spiečių tinklą, stebimą stambaus masto stebėjimų projektuose (pvz., Sloan Digital Sky Survey). Gravitacinė nestabilumas sustiprina tankesnes sritis, kurios vėliau subliūkšta į filamentus, halus bei spiečius, o retesnės sritys išsitempia į tuštumas (voids). Šios stambiosios struktūros statistinės savybės (pvz., galaktikų pasiskirstymo galios spektras) puikiai dera su infliacijos prognozėmis.
6. Nuo teorijos iki multivisatos?
6.1 Amžinoji infliacija
Kai kurie modeliai teigia, kad infliacija ne visada pasibaigia tuo pačiu metu visur. Dėl kvantinių infliatono lauko svyravimų tam tikruose erdvės regionuose laukas gali vėl pakilti potencialu, todėl infliacija ten tęsiasi. Taip atsiranda „burbulai“, kuriuose infliacija baigiasi skirtingu metu, – tai amžinosios infliacijos arba „multivisatos“ hipotezė.
6.2 Kiti modeliai ir alternatyvos
Nors infliacija yra pagrindinė teorija, kelios alternatyvios teorijos bando spręsti tas pačias kosmologines problemas. Tarp jų – ekpirotiniai/cikliniai modeliai (grįsti stygų teorijos membranų susidūrimais) bei pataisyta gravitacija. Vis dėlto nė vienas konkurentinis modelis dar neprilygo infliacijos paprastumui ir tiksliai sutampantiems duomenims. Kvantinių fluktuacijų sustiprinimo idėja išlieka kertiniu akmeniu daugumoje teorinių struktūrų formavimosi aiškinimų.
7. Svarba ir ateities kryptys
7.1 Infliacijos galia
Infliacija ne tik paaiškina didžiuosius kosminius klausimus, bet ir siūlo vientisą mechanizmą ankstyvosioms fluktuacijoms atsirasti. Paradoksalu, bet mažytės kvantinės fluktuacijos gali palikti tokį milžinišką poveikį – tai pabrėžia, kaip glaudžiai kvantiniai reiškiniai siejasi su kosmologija.
7.2 Iššūkiai ir atviri klausimai
- Infliatono prigimtis: Kokios dalelės ar laukai iš tikrųjų sukėlė infliaciją? Ar tai susiję su Didžiąja vienijimo teorija, supersimetrija ar stygų teorijos koncepcijomis?
- Infliacijos energijos lygis: Stebėjimų duomenys, tarp jų – gravitacinių bangų matavimai, galėtų atskleisti, kokioje energijos skalėje vyko infliacija.
- Gravitacinių bangų tyrimai: Dauguma infliacijos modelių numato pirminių gravitacinių bangų foną. Tokie projektai kaip BICEP/Keck, Simons observatorija ir būsimi KMF poliarizacijos eksperimentai siekia aptikti ar apriboti „tensoriaus ir skaliarų santykį“ r, kuris tiesiogiai nurodo infliacijos energijos lygmenį.
7.3 Naujos stebėjimų galimybės
- 21 cm kosmologija: Stebint 21 cm ilgio vandenilio spinduliuotę ankstyvaisiais laikais, galima naujai tirti kosminės struktūros formavimąsi ir infliacijos perturbacijas.
- Kitos kartos apklausos: Projektai, tokie kaip Vera C. Rubin observatorija (LSST), Euclid ir kt., žada detaliai kartografuoti galaktikų ir tamsiosios materijos pasiskirstymą, leisdami patikslinti infliacinius parametrus.
8. Išvada
Infliacijos teorija grakščiai paaiškina, kaip Visata galėjo itin sparčiai išsiplėsti pirmosiomis sekundės dalimis, išspręsdama klasikines Didžiojo sprogimo scenarijaus problemas. Tuo pat metu infliacija prognozuoja, kad kvantinės fluktuacijos, paprastai aptinkamos tik subatominiame lygmenyje, buvo padidintos iki kosminių mastelių. Būtent šios fluktuacijos suformavo tankio skirtumus, nulėmusius galaktikų, spiečių ir didžiojo kosminio tinklo atsiradimą.
Vis tik, nors daugybė tikslių kosminio mikrobangų fono ir stambiosios struktūros stebėjimų palaiko infliacijos vaizdą, lieka daug neatsakytų klausimų – nuo infliatono prigimties iki tikrosios infliacinio potencialo formos ar net galimybės, kad mūsų stebimoji Visata tėra viena iš nesuskaičiuojamų kitų multivisatoje. Kaupiantis naujiems duomenims, vis giliau suvoksime, kaip menki kvantiniai „spragtelėjimai“ išaugo į žvaigždžių ir galaktikų gausą, išryškindami glaudžią kvantinės fizikos ir makrokosminių mastelių sąsają.
Šaltiniai:
Hawking, S. W., & Ellis, G. F. R. (1973). The Large Scale Structure of Space-Time. Cambridge University Press.
– Klasikinis darbas, nagrinėjantis erdvėlaikio kreivumą ir singuliarumų sampratą bendrosios reliatyvumo teorijos kontekste.
Penrose, R. (1965). "Gravitational collapse and space-time singularities." Physical Review Letters, 14(3), 57–59.
– Straipsnis apie sąlygas, lemiančias singuliarumų susidarymą žvaigždžių kolapso metu.
Guth, A. H. (1981). "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems." Physical Review D, 23(2), 347–356.
– Pirmasis seminalinis darbas, pristatantis kosminės infliacijos sąvoką, siekiant išspręsti horizonto ir plokštumo problemas.
Linde, A. (1983). "Chaotic inflation." Physics Letters B, 129(3–4), 177–181.
– Alternatyvus infliacijos modelis, aptariantis įvairius scenarijus bei Visatos pradinių sąlygų klausimus.
Bennett, C. L., et al. (2003). "First-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Preliminary Maps and Basic Results." The Astrophysical Journal Supplement Series, 148(1), 1.
– Pagrindiniai kosminio fono spinduliuotės tyrimai, patvirtinantys infliacijos prognozes.
Planck Collaboration. (2018). "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters." Astronomy & Astrophysics.
– Naujausi kosmologiniai duomenys, itin tiksliai apibrėžiantys Visatos geometriją ir raidą.
Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity. Cambridge University Press.
– Išsamus darbas apie kvantinę gravitaciją, nagrinėjantis alternatyvias singuliarumo traktuotes.
Ashtekar, A., Pawlowski, T., & Singh, P. (2006). "Quantum nature of the big bang: Improved dynamics." Physical Review D, 74(8), 084003.
– Straipsnis apie tai, kaip kvantinės gravitacijos teorijos gali pakoreguoti klasikinį Didžiojo sprogimo singuliarumo vaizdą, vietoj to siūlydamos „kvantinį atšokimą“.