[ Pobierz całość w formacie PDF ]
bardziej płaską powierzchnią balonu w trakcie jego nadmuchiwania. A ponieważ
ekspansję zawdzięczamy grawitacji odpychającej, przestrzeń w miarę upływu czasu
rozpłaszcza się.
10.8 Postęp i przewidywania
Dane nie do końca jednak potwierdzały przewidywania kosmologii inflacyjnej, że
powinniśmy oglądać Wszechświat o gęstości krytycznej (5 atomów wodoru na 1
m3). Faktycznie, materia i energia obserwowalna, czyli ta, która wysyła światło
stanowi zaledwie 5% gęstości krytycznej.
10.9 Przewidywanie ciemności
W wieku XX znaleziono jednak dowody na istnienie materii nieświecącej (Zwicky,
Rubin, Ford). Stanowi ona 25% gęstości krytycznej. Razem z materią widoczną daje
to 30% gęstości krytycznej. Gdzie reszta?
10.10 Uciekający Wszechświat
Po zakończeniu fazy gwałtownej inflacji Wszechświat hamuje. Pomiar tempa
hamowania pozwala na ocenę ilości brakującej materii/energii. Bowiem im jest jej
więcej tym bardziej Wszechświat hamuje (działa tu zwykła grawitacja
przyciągająca). Należy zbadać jak szybko uciekają galaktyki, które są w różnej
23
odległości, co jest równoznaczne z różnymi stadiami historii Wszechświata.
Pomiaru tego dokonano w latach 90. XX wieku (Perlmutter, Schmidt). Okazało się,
że Wszechświat hamował przez pierwsze 7 miliardów lat a potem zaczął znowu
przyspieszać. Było to wielkim zaskoczeniem dla fizyków i astronomów.
10.11 Brakujące 70 procent
Wyjaśnienie różnych prędkości ekspansji: Wszechświat ma stałą kosmologiczną
siłę odpychającą. Przez 7 mld. lat była ona zdominowana przez normalną grawitację
przyciągającą. Jednak w miarę rozrzedzania zwykłej materii i zmniejszania jej
przyciągania grawitacyjnego odpychająca siła zyskiwała aż wreszcie zdobyła
przewagę i zaczął się nowy etap przyspieszonej ekspansji. Obliczono, że prędkość
oddalania się galaktyk w tej fazie wymaga odpychania przez stałą kosmologiczną,
której ciemna energia wnosi wkład równy 70% gęstości krytycznej. Daje to w sumie
100% masy/energii Wszechświata (Perlmutter, Schmidt).
Podsumowanie historii Wszechświata: we wczesnych epokach energię
Wszechświata niosło pole inflatonowe o wartości różnej od stanu o minimalnej
energii. Z powodu swojego ujemnego ciśnienia pole inflatonowe spowodowało
gwałtowny wybuch inflacyjnej ekspansji. Następnie, jakieś 10-35 sekundy pózniej,
gdy pole inflatonowe stoczyło się po zboczu potencjału, szybka ekspansja
zakończyła się i inflacja uwolniła swoją energię, wytwarzając zwykłą materię i
promieniowanie. Przez wiele miliardów lat te zwykłe składniki Wszechświata
wywierały typową, przyciągającą siłę grawitacyjną i spowalniały kosmiczną
ekspansję. W miarę jednak jak Wszechświat rozrastał się i rozrzedzał, przyciąganie
grawitacyjne malało. Po około siedmiu miliardach lat zwykłe przyciąganie
grawitacyjne stało się wystarczająco słabe, aby zaczęło dominować to odpychające.
10.12 Zagadki i postęp
11 Kwanty na niebie. Inflacja, fluktuacje kwantowe i strzałka czasu
11.1 Wstęp
Kosmologia inflacyjna rozwiązuje trzy problemy: powstanie skupisk materii takich
jak galaktyki, ilość energii koniecznej do powstania Wszechświata, pochodzenie
strzałki czasu.
11.2 Kwantowy zapis na niebie
Skoro Wszechświat jest tak jednorodny i gładki w największych skalach (por. pkt.
8.3), skąd bierze się jego niejednorodność (czyli istnienie skupisk materii, jak np.
galaktyki) w małej skali? Otóż nagły wybuch inflacyjnej ekspansji rozciągnął
przestrzeń o olbrzymi czynnik (od 1030 do 10100 w zależności od koncepcji) i
wszystko co było w skalach mikroskopowych zostało rozciągnięte do skali makro.
Idzie głównie o przypadkowe zróżnicowania kwantowe, które w inflacji zostały
gigantycznie powiększone. W ciągu kilku milionów lat po zakończeniu ekspansji
inflacyjnej te niewielkie zaburzenia narastały dzięki przyciąganiu grawitacyjnemu.
Wartość pola inflatonowego staczając się po zboczu swego potencjału osiągnęła
minimum w różnych miejscach w nieco innym czasie. Te subatomowe
niejednorodności w wyniku ekspansji inflacyjnej dały spore zaburzenia. Zgodnie z
teorią inflacji te ponad 100 miliardów galaktyk na niebie to zaburzenia kwantowe
rozciągnięte na cały nieboskłon.
11.3 Złoty wiek kosmologii
Inny sukces teorii inflacji: niewielkie obserwowane zróżnicowania temperatury
(czwarte miejsce po przecinku) promieniowania tła w różnych zakątkach
24
nieboskłonu mogą być precyzyjnie wyjaśnione mechanizmem rozciągania zaburzeń
kwantowych w fazie ekspansji inflacyjnej.
11.4 Stworzenie Wszechświata
Choć nie umiemy odpowiedzieć na pytanie dlaczego istnieje Wszechświat (słynne
pytanie Leibniza: dlaczego istnieje raczej coś niż nic?) spróbujmy wyjaśnić skąd się
wzięła cała masa/energia Wszechświata. Wiadomo, że w miarę rozszerzania się
Wszechświata materia i promieniowanie tracą energię na rzecz grawitacji, podczas
gdy pole inflatonowe pozyskuje energię z grawitacji. Teoria inflacji dowodzi, że
materia i promieniowanie powstały pod koniec fazy inflacyjnej (czyli ułamek
sekundy po Wielkim Wybuchu), gdy pole inflatonowe uwolniło zawartą w nim
energię, staczając się do zagłębienia w rozkładzie jego energii potencjalnej. Pytanie:
Czy pod koniec fazy inflacyjnej pole inflatonowe mogło mieć dość masy/energii do
[ Pobierz całość w formacie PDF ]