Descrizione e origini della teoria dell'inflazione

Teoria dell'inflazione riunisce idee da fisica quantistica e fisica delle particelle per esplorare i primi momenti dell'universo, seguendo il big bang. Secondo la teoria dell'inflazione, l'universo è stato creato in uno stato di energia instabile, che ha costretto una rapida espansione dell'universo nei suoi primi momenti. Una conseguenza è che l'universo è molto più grande del previsto, molto più grande della dimensione che possiamo osservare con i nostri telescopi. Un'altra conseguenza è che questa teoria prevede alcuni tratti, come la distribuzione uniforme dell'energia e la geometria piatta di spazio tempo—Che non era stato precedentemente spiegato nell'ambito del teoria del Big Bang.

Sviluppata nel 1980 dal fisico delle particelle Alan Guth, la teoria dell'inflazione è oggi generalmente considerata una componente ampiamente accettata del grande teoria del bang, anche se le idee centrali della teoria del big bang erano ben consolidate per anni prima dello sviluppo dell'inflazione teoria.

Il teoria del Big Bang aveva avuto un discreto successo nel corso degli anni, soprattutto essendo stato confermato dalla scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB). Nonostante il grande successo della teoria per spiegare la maggior parte degli aspetti dell'universo che abbiamo visto, rimanevano tre problemi principali:

• Il problema dell'omogeneità (o "Perché l'universo è stato così incredibilmente uniforme solo un secondo dopo il big bang ?;" come viene presentata la domanda in Endless Universe: Beyond the Big Bang)
• Il problema della piattezza
• La sovrapproduzione prevista di monopoli magnetici

Il modello del big bang sembrava prevedere un universo curvo in cui l'energia non era distribuita in modo uniforme e in cui vi erano molti monopoli magnetici, nessuno dei quali corrispondeva alle prove.

Il fisico delle particelle Alan Guth ha appreso per la prima volta del problema della piattezza in una conferenza del 1978 alla Cornell University di Robert Dicke. Nel corso dei prossimi due anni, Guth applicò concetti dalla fisica delle particelle alla situazione e sviluppò un modello di inflazione dell'universo primordiale.

Guth presentò le sue scoperte in una conferenza del 23 gennaio 1980 al Stanford Linear Accelerator Center. La sua idea rivoluzionaria era che i principi della fisica quantistica nel cuore della fisica delle particelle potevano essere applicati ai primi momenti della creazione del big bang. L'universo sarebbe stato creato con un'alta densità di energia. La termodinamica impone che la densità dell'universo l'avrebbe costretto ad espandersi molto rapidamente.

Per coloro che sono interessati a maggiori dettagli, essenzialmente l'universo sarebbe stato creato in un "falso vuoto" con il meccanismo di Higgs disattivato (o, in altre parole, il bosone di Higgs non esisteva). Avrebbe attraversato un processo di super raffreddamento, alla ricerca di uno stato stabile a bassa energia (un "vero vuoto" in cui il meccanismo di Higgs è stato attivato), ed è stato questo processo di super raffreddamento che ha guidato il periodo inflazionistico di rapida espansione.

Quanto velocemente? L'universo avrebbe raddoppiato le sue dimensioni ogni 10^-35 secondi. Entro 10^-30 secondi, l'universo sarebbe raddoppiato in dimensioni 100.000 volte, il che è un'espansione più che sufficiente per spiegare il problema della piattezza. Anche se l'universo avesse una curvatura all'inizio, quella grande espansione lo farebbe apparire piatto oggi. (Considera che la dimensione della Terra è abbastanza grande da sembrarci piatta, anche se sappiamo che la superficie su cui ci troviamo è l'esterno curvo di una sfera.)

Allo stesso modo, l'energia viene distribuita in modo così uniforme perché quando è iniziata eravamo una parte molto piccola dell'universo e quella parte di l'universo si espandeva così rapidamente che se ci fossero state importanti distribuzioni irregolari di energia, sarebbero state troppo lontane per noi percepire. Questa è una soluzione al problema dell'omogeneità.

Il problema con la teoria, per quanto Guth poteva dire, era che una volta iniziata l'inflazione, sarebbe continuata per sempre. Sembrava che non esistesse un chiaro meccanismo di spegnimento in atto.

Inoltre, se lo spazio si espandesse continuamente a questo ritmo, allora un'idea precedente sull'universo primordiale, presentata da Sidney Coleman, non funzionerebbe. Coleman aveva predetto che le transizioni di fase nell'universo primordiale avvenivano mediante la creazione di minuscole bolle che si fondevano insieme. Con l'inflazione in atto, le minuscole bolle si stavano allontanando l'una dall'altra troppo in fretta per fondersi mai.

Affascinato dalla prospettiva, il fisico russo Andre Linde ha attaccato questo problema e si è reso conto che c'era un'altra interpretazione che si è occupata di questo problema, mentre da questa parte del Cortina di ferro (erano gli anni '80, ricordate) Andreas Albrecht e Paul J. Steinhardt ha trovato una soluzione simile.

Questa nuova variante della teoria è quella che ha davvero preso piede negli anni '80 e alla fine è entrata a far parte della teoria del big bang consolidata.

La teoria dell'inflazione prende diversi altri nomi, tra cui:

• inflazione cosmologica
• inflazione cosmica
• inflazione
• vecchia inflazione (versione originale di Guth della teoria del 1980)
• nuova teoria dell'inflazione (il nome della versione con il problema della bolla risolto)
• inflazione slow-roll (il nome della versione con il problema bolla risolto)

Ci sono anche due varianti strettamente correlate della teoria, inflazione caotica e inflazione eterna, che presentano alcune lievi distinzioni. In queste teorie, il meccanismo di inflazione non si è verificato solo una volta immediatamente dopo il big bang, ma si verifica continuamente in diverse regioni dello spazio per tutto il tempo. Fanno parte di un numero in rapido aumento di "universi di bolle" come parte del multiverso. Alcuni fisici sottolineano che queste previsioni sono presenti in tutti versioni della teoria dell'inflazione, quindi non considerarle realmente distinte teorie.

Essendo una teoria quantistica, esiste un'interpretazione sul campo della teoria dell'inflazione. In questo approccio, il meccanismo trainante è il campo di gonfiaggio o particella di inflaton.

Nota: Mentre il concetto di energia oscura nella moderna teoria cosmologica accelera anche l'espansione dell'universo, i meccanismi coinvolti sembrano essere molto diversi da quelli coinvolti nella teoria dell'inflazione. Un'area di interesse per i cosmologi è il modo in cui la teoria dell'inflazione potrebbe portare a intuizioni sull'energia oscura, o viceversa.