Inflacja, ale jaka?

background image

10 Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1997

Inflacja, ale jaka?

Kosmolodzy usi∏ujà obroniç

popularnà teori´ powstania WszechÊwiata

W

1979 roku Alan H. Guth, m∏ody fizyk ze Stanford
Linear Accelerator Center, analizujàc najnowsze
teorie czàstek elementarnych, doszed∏ do zaska-

kujàcego wniosku: w skrajnych warunkach, jakie panowa∏y
w pierwotnym WszechÊwiecie, grawitacja mog∏a na krótko
zmieniç si´ z si∏y przyciàgajàcej w odpychajàcà, co spowo-
dowa∏o b∏yskawicznà ekspansj´ WszechÊwiata. Dopiero póê-
niej tempo tej ekspansji zmala∏o do obecnie obserwowanej
wartoÊci. Guth by∏ tak podniecony, ˝e zapisa∏ w swym note-
sie:

NIEZWYK¸E ODKRYCIE

, i oddzieli∏ te s∏owa od otacza-

jàcych je równaƒ dwiema koncentrycznymi ramkami.

Ekscytacja Gutha by∏a w pe∏ni uzasadniona. Jego koncep-

cja, którà nazwa∏ teorià inflacji, wyjaÊnia niektóre cechy
WszechÊwiata, na przyk∏ad izotropi´ promieniowania relik-
towego. Jak sam stwierdza w swojej nowej ksià˝ce The Infla-
tionary Universe (WszechÊwiat inflacyjny), kosmologowie
przyj´li jego teori´ z entuzjazmem. Od ukazania si´ ory-
ginalnego artyku∏u Gutha w roku 1981 w recenzowanych pi-
smach naukowych pojawi∏o si´ ponad 3000 prac na temat in-
flacji. Wielu teoretyków zgodzi∏oby si´ z opinià Alana P.
Lightmana z Massachusetts Institute of Technology, ˝e infla-
cja jest „najwa˝niejszym osiàgni´ciem kosmologii” od cza-
sów teorii Wielkiego Wybuchu.

Jednak˝e wyniki ostatnich obserwacji sà sprzeczne z teorià

inflacji, a przynajmniej z wersjà faworyzowanà przez wi´k-
szoÊç kosmologów. Niektórzy z nich obawiajà si´, ˝e nawet
jeÊli koncepcja ta przetrwa kryzys, nigdy nie b´dzie mo˝na jej
potwierdziç w takim sensie, w jakim potwierdzona zosta∏a
teoria Wielkiego Wybuchu. Guth, który zawdzi´cza swemu
odkryciu nominacj´ na stanowisko profesora zwyczajnego w
MIT, przyznaje, ˝e inflacja pozostaje „ogólnà ideà”, która wy-
maga konkretyzacji. Jest jednak przekonany, i˝ dalsze obser-
wacje i analizy teoretyczne potwierdzà jego teori´. „Inflacja po-
zostanie z nami na dobre” – twierdzi.

PopularnoÊç teorii inflacji wynika z faktu, ˝e pozwala wyja-

Êniç kilka kosmicznych zagadek, takich jak brak krzywizny
przestrzeni. Zgodnie z ogólnà teorià wzgl´dnoÊci przestrzeƒ
mo˝e mieç dowolnà krzywizn´. WszechÊwiaty otwarte roz-
szerzajà si´ w nieskoƒczonoÊç, zamkni´te zaÊ po pewnym cza-
sie zaczynajà si´ zapadaç. Jednak wyk∏adnicza ekspansja
w okresie inflacji sprawia, ˝e wszechÊwiat jest zupe∏nie p∏a-
ski; podobnie zmniejsza si´ krzywizna balonu podczas nadmu-
chiwania. P∏aski wszechÊwiat rozszerza si´ w nieskoƒczonoÊç,
ale pr´dkoÊç ekspansji maleje asymptotycznie do zera.

Inflacja wyjaÊnia równie˝, dlaczego mikrofalowe promie-

niowanie, uwa˝ane za relikt bardzo wczesnego okresu histo-
rii WszechÊwiata, jest tak izotropowe – tzn. jego temperatu-
ra w ka˝dym punkcie na niebie jest niemal idealnie taka sama.
Obliczenia wykonane w ramach standardowej teorii Wiel-
kiego Wybuchu wskazujà, ˝e od poczàtkowego wybuchu do
powstania promieniowania t∏a up∏yn´∏o zbyt ma∏o czasu, aby

WIADOMOÂCI

I

OPINIE

Raymond V. Damadian

15 ANTY(PO)WAGA

POD LUPÑ

TWÓRCA TEORII INFLACJI, Alan H. Guth, ma nadziej´,

˝e przysz∏e obserwacje potwierdzà jego „ogólnà ide´”.

JESSICA BOYATT

background image

Â

WIAT

N

AUKI

Sierpieƒ 1997 11

WszechÊwiat móg∏ osiàgnàç stan równowagi termodyna-
micznej. JeÊli jednak WszechÊwiat przeszed∏ przez okres
inflacyjnej ekspansji, to jego obserwowalna cz´Êç powsta∏a
z bardzo ma∏ego obszaru, który móg∏ osiàgnàç stan równowa-
gi jeszcze przed fazà inflacji.

Teoria Gutha pozwala równie˝ wyt∏umaczyç, dlaczego

WszechÊwiat nie jest ca∏kowicie jednorodnà mieszaninà pro-
mieniowania i materii, lecz zawiera skupiska materii – gwiaz-
dy i galaktyki. Z mechaniki kwantowej wynika, ˝e nawet
w pustej przestrzeni wyst´pujà fluktuacje energii, przypomi-
najàce fale na powierzchni jeziora. Inflacja mog∏a wzmocniç
najwi´ksze fluktuacje kwantowe we wczesnym WszechÊwie-
cie na tyle, ˝e wokó∏ nich skupi∏a si´ materia i w ten sposób
powsta∏y gwiazdy i galaktyki.

Gdy w 1992 roku Cosmic Background Explorer (COBE)

wykry∏ fluktuacje promieniowania reliktowego, zwolennicy
inflacji uznali to za potwierdzenie tej koncepcji. Jednak inne
teorie – na przyk∏ad z
„defektami pró˝ni”, ta-
kimi jak struny i tekstury
– równie˝ prowadzà do
wniosku, ˝e muszà ist-
nieç takie fluktuacje.
„Wszystkie przewidy-
wania inflacji mo˝na
otrzymaç równie˝ w in-
ny sposób, choç cz´sto
wymaga to z∏o˝onych
kombinacji” – uwa˝a
Neil G. Turok z Universi-
ty of Cambridge. Turok
obawia si´, ˝e z tego po-
wodu nigdy nie uda si´
jednoznacznie potwier-
dziç teorii Gutha.

Co wi´cej, ta w∏aÊnie

cecha modeli inflacyj-
nych, którà niegdyÊ uwa-
˝ano za ich najwi´kszà
zalet´, dziÊ jest najpo-
wa˝niejszà ich wadà. Teoria Gutha prowadzi do wniosku,
˝e WszechÊwiat jest p∏aski, tymczasem wszystkie ostatnie
oszacowania g´stoÊci materii we WszechÊwiecie wskazujà,
˝e jest ona zbyt ma∏a, aby rzeczywiÊcie tak by∏o. Podczas kon-
ferencji, która odby∏a si´ w marcu br. w University of Cali-
fornia w Irvine, kilka grup obserwatorów zrelacjonowa∏o
swoje pomiary, z których wynika, ˝e g´stoÊç materii wynosi
zaledwie 30% g´stoÊci potrzebnej do tego, by WszechÊwiat
by∏ p∏aski.

Aby wyjaÊniç t´ rozbie˝noÊç, teoretycy wrócili do koncep-

cji sta∏ej kosmologicznej, którà wprowadzi∏ Albert Einstein.
Idea ta polega na przyj´ciu, ˝e pusta przestrzeƒ zawiera pew-
nà energi´, która powoduje ekspansj´ wszechÊwiata. Wpraw-
dzie nikomu jeszcze nie uda∏o si´ wykryç tej „energii pró˝ni”,
ale pojawia si´ ona w wielu teoriach czàstek elementarnych
oraz w modelach kosmologicznych; na przyk∏ad uwa˝a si´,
˝e to w∏aÊnie fluktuacja energii pró˝ni o du˝ej g´stoÊci zaini-
cjowa∏a inflacj´. Zdaniem teoretyków sta∏a kosmologiczna
mo˝e zastàpiç materi´, której jest za ma∏o, aby WszechÊwiat
by∏ p∏aski.

Istnieje jeszcze inna mo˝liwoÊç. P. James E. Peebles z Prin-

ceton University i inni teoretycy wykazali, ˝e w wyniku infla-
cji mo˝e powstaç tak˝e wszechÊwiat otwarty. Rzecz jasna,
zarówno takie modele, jak i uwzgl´dniajàce sta∏à kosmolo-
gicznà sà znacznie bardziej skomplikowane ni˝ oryginalny
model Gutha, ale Peebles uwa˝a, ˝e to normalne. „By∏oby

zbyt pi´knie – powiada – gdyby prawdziwy model by∏ tak˝e
elegancki i prosty.”

Andrei D. Linde ze Stanford University przyznaje, ˝e wo-

li modele inflacyjne, zgodnie z którymi WszechÊwiat jest p∏a-
ski. „Trzeba jednak pami´taç – dodaje z ironià – ˝e gdy po-
wstawa∏ WszechÊwiat, nikt nas nie pyta∏ o zdanie.” Linde
przedstawi∏ modele inflacyjne, w których wszechÊwiat mo˝e
byç nie tylko otwarty lub p∏aski, ale nawet zamkni´ty. Wyka-
za∏ równie˝, ˝e przyczynà inflacji mo˝e byç nie tylko przejÊcie
fazowe, które przewidujà teorie wielkiej unifikacji – jak za-
k∏ada∏ Guth niemal 20 lat temu – ale równie˝ bardziej typo-
we, choç hipotetyczne, efekty kwantowe.

Obserwacje mogà obaliç konkretne modele inflacyjne –

twierdzi Linde – ale nie ogólnà koncepcj´ inflacji. „JeÊli teo-
ria inflacji zostanie odrzucona, to nie wskutek sprzecznoÊci
z obserwacjami, lecz dlatego ˝e pojawi si´ lepsza teoria” –
uwa˝a. Inni podzielajà jego opini´. „Gdy teoria nie zgadza

si´ z doÊwiadczeniami –
zauwa˝a Charles L. Ben-
nett z NASA Goddard
Space Flight Center –
wprowadza si´ popraw-
ki, które sprawiajà, ˝e
staje si´ ona coraz bar-
dziej z∏o˝ona, a˝ wresz-
cie nikt w nià ju˝ nie
wierzy z wyjàtkiem sa-
mego autora.”

Przysz∏e pomiary pro-

mieniowania reliktowe-
go mogà dostarczyç da-
nych pozwalajàcych na
surowsze przetestowa-
nie modeli inflacyjnych.

„To kosmologiczna ˝y-
∏a z∏ota” – twierdzi Mi-
chael S. Turner z Uni-
versity of Chicago. Sa-
telita NASA Microwave
Anisotropy Probe (MAP),

który zgodnie z programem ma zostaç wyniesiony w kosmos
w roku 2000, zmierzy fluktuacje promieniowania t∏a z do-
k∏adnoÊcià 30 razy wi´kszà ni˝ COBE. Jeszcze precyzyjniej-
szych danych dostarczy satelita Planck Europejskiej Agencji
Kosmicznej, który ma wystartowaç w roku 2004. Kilka grup
planuje równie˝ eksperymenty balonowe.

Teoretycy, tacy jak Marc Kamionkowski z Columbia Uni-

versity, opracowali ju˝ dok∏adne przewidywania, jaki wp∏yw
powinna wywrzeç inflacja na promieniowanie mikrofalowe
t∏a. Kamionkowski przyznaje, ˝e inne teorie prowadzà do po-
dobnych przewidywaƒ. „JeÊli jednak inflacja przejdzie kilka
testów, to b´dzie si´ wyró˝niaç spoÊród innych teorii.” Jego
zdaniem ˝aden inny model nie pozwala wyjaÊniç tak wielu
zjawisk jak koncepcja inflacji.

Wed∏ug Gutha, gdy wyniki pomiarów b´dà ju˝ jasne, mo-

˝e si´ okazaç, ˝e potwierdzà one najprostszà wersj´ inflacji,
zgodnie z którà WszechÊwiat jest p∏aski. Status inflacji mogà
równie˝ umocniç teoretyczne badania superstrun, czarnych
dziur i inne najnowsze koncepcje, które zapewne pozwolà
lepiej zrozumieç, jak powsta∏ WszechÊwiat. Obecnie – uwa˝a
Guth – wszystkie takie idee sà jeszcze bardziej hipotetyczne
ni˝ sama teoria inflacji. „Wcià˝ nie opisujà one rzeczywiste-
go Êwiata, ale stwarzajà wielkie nadzieje na przysz∏oÊç.” Byç
mo˝e konieczne oka˝à si´ inne niezwyk∏e odkrycia, nim ory-
ginalna wizja Gutha ca∏kowicie si´ spe∏ni.

John Horgan

FLUKTUACJE temperatury mikrofalowego promieniowania t∏a,

zarejestrowane przez satelit´ COBE, sà zgodne z przewidywaniami

modeli inflacyjnych i wielu innych teorii.

NATIONAL SPACE SCIENCE DATA CENTER, NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

PÓ¸NOCNA PÓ¸KULA GALAKTYCZNA

PO¸UDNIOWA PÓ¸KULA GALAKTYCZNA,

-100 MIKROKELWINÓW

+100 MIKROKELWINÓW