ทำไมเราต้องการเงินเฟ้อของจักรวาล

มุมมองของความแตกต่างของอุณหภูมิในพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิคสร้างขึ้นเมื่อกาแลคซีมีอายุน้อยกว่า 400,000 ปีสร้างขึ้นจากการสำรวจเก้าปีจากวิลคินสันโพรบ Anisotropy (WMAP)

(ภาพ: © NASA)

Paul Sutter เป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ The Ohio State University และหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์ COSI ซัทเทอร์ยังเป็นเจ้าภาพของ "Ask a Spaceman", "Space Radio" และเป็นผู้นำของ AstroTours ทั่วโลก ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้เพื่อเสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights

โมเดลบิ๊กแบงเป็นคำอธิบายที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดของเราสำหรับประวัติศาสตร์ของจักรวาลที่เราอาศัยอยู่และมันเป็นเรื่องง่ายที่จะห่อหุ้มกรอบหลักของมันในประโยคเดียวที่สวมเสื้อยืด: นานมาแล้วจักรวาลของเรามีขนาดเล็กกว่ามาก จากคำแถลงง่ายๆนี้ทำให้เกิดการคาดการณ์ที่สามารถทดสอบได้ที่สำคัญซึ่งได้รับการยืนยันโดยการสังเกตหลายทศวรรษ อัตราการขยายตัวของเอกภพ พื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล การผลิตองค์ประกอบที่เบาที่สุด ความแตกต่างระหว่างกาแลคซีใกล้และไกล หลักฐานที่ชุ่มฉ่ำทั้งหมดที่ทำให้วิทยาศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์

แต่มีปัญหาอยู่บ้าง [จักรวาล: บิ๊กแบงถึงตอนนี้ใน 10 ขั้นตอนง่ายๆ]

โมเดล "บิ๊กแบง" วานิลลาโดยไม่มีการเพิ่มเติมหรือแก้ไขเพิ่มเติมใด ๆ ไม่สามารถอธิบายการสังเกตทั้งหมดได้

(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))

ตาบนขอบฟ้า

เราสามารถเห็นพื้นที่ดิบจำนวนมหาศาล เอกภพที่สังเกตเห็นได้ของเรานั้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 90 พันล้านปีแสง และยิ่งไกลออกไปเรามองลึกเข้าไปในอดีตที่เราเพียร์ รอบตัวเราเป็นพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลแสงฟอสซิลที่เหลือปล่อยออกมาเมื่อเอกภพยังเพิ่งเกิดใหม่ - มีอายุเพียง 270,000 ปีเท่านั้นและมีอายุมากกว่า 13.8 พันล้านปีในอดีต

แสงนั้นเข้ามาหาเราตั้งแต่ต้นกำเนิดของเอกภพดังนั้นไกล ๆ จนตอนนี้เราไม่สามารถเข้าถึงได้ และส่วนต่าง ๆ ของแสงพื้นหลังนั้นไม่สามารถเข้าถึงซึ่งกันและกันได้ ในศัพท์แสงทางฟิสิกส์ที่ยอดเยี่ยมภูมิภาคของพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิคไม่ได้เชื่อมโยงอย่างมีเหตุผล กล่าวอีกนัยหนึ่งสำหรับขอบเขตอันหนึ่งของเอกภพที่สังเกตได้ของเราในการสื่อสารกับอีกอันหนึ่งในช่วง 13.8 พันล้านปีที่ผ่านมาพวกเขาจะต้องส่งสัญญาณเร็วกว่าความเร็วแสง

ซึ่งจะไม่เป็นเรื่องใหญ่ถ้าพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลไม่เกือบสมบูรณ์แบบเรียบ จักรวาลของทารกมีอุณหภูมิเท่ากันถึงหนึ่งในล้านส่วน ทุกคนได้รับการประสานงานที่ดีอย่างไรเมื่อการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่หนึ่งไม่มีเวลามากพอที่จะส่งผลกระทบต่อผู้อื่น

ตรงและแคบ

ดีที่สุดเท่าที่เราสามารถวัดได้เรขาคณิตของจักรวาลของเราดูเหมือนจะสมบูรณ์แบบโดยสิ้นเชิงน่าเบื่อ ในระดับจักรวาลขนาดใหญ่เส้นขนานจะอยู่คู่ขนานกันตลอดไปมุมภายในของสามเหลี่ยมจะเพิ่มขึ้นถึง 180 องศาเป็นต้น กฎทั้งหมดของเรขาคณิตแบบยุคลิดที่คุณเรียนในโรงเรียนมัธยมนั้นมีผลบังคับใช้

แต่ไม่มี เหตุผล เพื่อให้จักรวาลของเราแบน ในระดับขนาดใหญ่มันอาจมีความโค้งเก่า ๆ ที่มันต้องการ จักรวาลของเราอาจมีรูปร่างเหมือนลูกบอลชายหาดขนาดใหญ่หลายมิติหรืออานม้าขี่ม้า แต่ไม่มันเลือกแบน และไม่เพียงแค่แบนเล็กน้อย สำหรับเราที่จะไม่วัดความโค้งของความแม่นยำเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ในเอกภพยุคปัจจุบันจักรวาลที่มีอายุน้อยจะต้องแบนไปเป็นส่วนหนึ่งในล้านส่วน

ทำไม? จากตัวเลือกทั้งหมดที่เป็นไปได้สำหรับความโค้งไม่แบนเกือบจะสมบูรณ์แบบดูน่าสงสัยเล็กน้อย? และแน่นอนเราสงสัยว่ามีเหตุผลสำหรับความเรียบและมันไม่ใช่แค่ลูกเต๋าโชคดี

แค่เสาเดียว

โมโนโพลแม่เหล็กเป็นสัตว์ในทางทฤษฎี การแตกหักในอวกาศ - เวลานั้นแสดงให้เห็นเพียงหนึ่งในขั้วแม่เหล็ก - ลองจินตนาการถึงอนุภาคที่มีขั้วเหนือหรือใต้ที่เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ด้วยความเหงา (ไม่ว่าเราจะรู้อะไรวัตถุที่มีแม่เหล็กทิศเหนือก็จะมีทิศใต้แม่เหล็กอยู่ที่ปลายอีกด้าน) ตามแบบจำลองที่ดีที่สุดของเอกภพยุคแรกเริ่มที่มากที่สุด (เช่นในเมื่อมันมีอายุประมาณ 10 ^ -35 วินาที และไม่นั่นไม่ใช่การพิมพ์ผิด) กระบวนการที่แปลกใหม่น่าจะทำให้จักรวาลของเราเต็มไปด้วยความร้ายกาจเหล่านี้

โมโนโพลเหล่านี้ควรเป็นเรื่องธรรมดามากจนมันจะเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตจักรวาลของเราทุกวัน แต่ถึงกระนั้นเรายังไม่เห็นหลักฐานใด ๆ เลย ศูนย์. zilch ไม่มีสัตว์ประหลาดตัวเดียวที่แฝงตัวอยู่ในน้ำกร่อยของจักรวาลที่มืดมิด

แล้วพวกเขาไปที่ไหน พวกมันน่าจะผลิตออกมามากมายเช่นเดียวกับที่จักรวาลของเราเริ่มน่าสนใจ แต่พวกมันก็ไม่พบอะไรเลย

แค่ทำให้มันใหญ่

ทางออกที่ดีที่สุดที่เรามีต่อปริศนาเหล่านี้คือกระบวนการที่เรียกว่าภาวะเงินเฟ้อ ความคิดถูกเสนอครั้งแรก - และประกาศเกียรติคุณ! - โดยนักฟิสิกส์ Alan Guth ในปี 1980 เมื่อเขาแนะนำว่ากระบวนการที่แปลกใหม่แบบเดียวกับที่ทำให้เอกภพด้วยโมโนโพลแม่เหล็กสามารถส่งเอกภพในช่วงเวลาที่มีการขยายตัวอย่างรวดเร็ว

ลองนึกภาพว่าถ้าฉันลูกโป่งคุณ - ร่างกายของคุณกล้าสมองโครงกระดูกข้อตกลงทั้งหมด - เท่ากับขนาดของเอกภพที่เราสังเกตเห็นทั้งหมด และจินตนาการว่าฉันใช้เวลาน้อยกว่า 10 ^ -32 วินาทีในการทำ นั่นคือการขยายตัวอย่างจริงจังและความหมายของเงินเฟ้อ เมื่อจักรวาลของเรายังเด็กอย่างไม่น่าเชื่อกัทก็เสนอ ที่สูงเกินจริง สำหรับเครื่องชั่งขนาดใหญ่ในเวลาน้อยกว่าพริบตา

สำหรับกูทนั่นเป็นเส้นทางที่สะอาดที่สุดในการแก้ปัญหาโมโนโพล ด้วยการสร้างจักรวาลขึ้นมา ใหญ่โมโนโพลก็จะถูกทำให้เจือจาง สิ่งที่เราสังเกตเห็นได้ในจักรวาลนั้นเป็นเพียงมุมเล็ก ๆ ของ Shebang ทั้งหมดและมันมีปริมาตรมากมายที่เราไม่ควรคาดหวังว่าจะได้พบกับโมโนโพลเช่นเคย

ยุคเงินเฟ้อนี้ยังแก้ไขข้อบกพร่องอีกสองข้อของวานิลลาบิกแบง เอกภพยุคก่อนเงินเฟ้อมีเวลาเหลือเฟือในการประสานงานและปรับอุณหภูมิให้เท่ากันก่อนที่จะเข้าสู่สถานะที่มีขนาดใหญ่ขึ้นทำให้ภูมิภาคที่เชื่อมโยงอยู่ข้างนอกไม่สามารถติดต่อกันได้อีก และในจักรวาลที่มีขนาดใหญ่มากเราอดไม่ได้ที่จะวัดรูปทรงเรขาคณิตเรียบ ๆ ในแพทช์ที่สังเกตได้ของเรา ใครสนใจว่าความโค้งของทั้งจักรวาลคืออะไร - มันใหญ่มากจนมันจะดูแบนสำหรับเรา โลกโค้ง แต่สนามหลังบ้านของฉันนั้นสวยและแบนเพราะมันเล็กกว่าพื้นผิวโลกของเรามาก เพียงแค่ใช้ตรรกะนั้นกับเกล็ดจักรวาลและคุณก็เป็นทองคำ

ถึงกระนั้นกลไกที่เป็นพื้นฐานของภาวะเงินเฟ้อนั้นเข้าใจได้ไม่ดีและเพื่อที่จะได้รับการพิจารณาทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่เหมาะสมครึ่งทางมันก็ไม่สามารถอธิบายการสังเกตการณ์ในปัจจุบันได้ แต่จะทำการคาดการณ์สำหรับอนาคต

และนั่นจะเป็นเรื่องราวของอีกวัน

เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "ทำไมเราต้องการเงินเฟ้อจักรวาล (ตอนที่ 2)" ในพอดคาสต์ Ask a Spaceman ที่มีอยู่ใน iTunes และบนเว็บที่ http://www.askaspaceman.com ขอบคุณ Massimiliano S. , Lorenzo B. , @ZachCoty, Pete E. , Christian W. , @up_raw, Vicki K. , Thomas, Banda C. , Steve S. , Evan W. , Andrew P. , @ MarkRiepe, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M. , Jim W. , Wakes Cosmic, Floren H. , Gabi P. , Amanda Z. และ @scaredjackel สำหรับคำถามที่นำไปสู่งานชิ้นนี้! ถามคำถามของคุณบน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตาม Paul @PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter ติดตามเราบน Twitter @ Spacedotcom และบน Facebook บทความต้นฉบับบน Space.com