Największa możliwa inflacja

8 października 2023
Blog szalonych naukowców

Inflacja zazwyczaj nie kojarzy się dobrze. Jednak astronomia wskazuje, że to właśnie kosmicznej inflacji zawdzięczamy obecny świat.

Nie chodzi tu o inflację w znaczeniu ekonomicznym, o której szkoda gadać. Dość powiedzieć, że NBP zamieścił ostatnio w internecie wykres przedstawiający spadek inflacji do 8 proc. z podpisem: „od 6 miesięcy ceny nie rosną”. 8-proc. inflacja oznacza akurat, że ceny od poprzedniego roku wzrosły o 8 proc., czyli rosną dalej, tylko wolniej. Z przedstawionych danych żaden ich spadek nie wynika. Można oczywiście mówić, że coś spada, a nie rośnie, ale w przypadku każdej funkcji, którą można przybliżyć wielomianem maksymalnie n-tego stopnia, można znaleźć jego n-tą pochodną, która (jako funkcja stała) nie rośnie, i wskazać ją jako niesamowity sukces. Zostawmy tę jawną propagandę, zajmijmy się inflacją kosmiczną.

Obserwowany przez nas Wszechświat ma kilka trudnych do wyjaśnienia właściwości. Po pierwsze, jest płaski, więc do jego opisu zastosować można geometrię Euklidesa w trzech wymiarach. Nie jest to jedyna możliwa geometria. Przypatrzmy się powierzchni Ziemi.

Mierząc powierzchnię działki, możemy spokojnie polegać na Euklidesie, jednak licząc powierzchnię kraju czy całego kontynentu, musimy uwzględnić poprawkę na krzywiznę Ziemi. Im większa powierzchnia trójkąta na globie, tym większa również suma jego kątów i sytuacja coraz bardziej odbiega od geometrii znanej ze szkoły. Suma kątów trójkąta wyznaczonego przez równik i dwa południki przecinające się na biegunie północnym jest w oczywisty sposób większa od 180 st. Do opisu wypukłej powierzchni Ziemi służy geometria eliptyczna, a nie euklidesowa. Podobnie wklęsłą powierzchnię siodła opisuje geometria hiperboliczna, w której suma kątów trójkąta jest zawsze mniejsza od 180 st.

Nie ma żadnego powodu, dla którego trójwymiarową przestrzeń Wszechświata ma opisywać płaska geometria Euklidesa. Mimo to wykluczono jej jakąkolwiek krzywiznę dającą się uchwycić za pomocą obecnych narządów pomiarowych. Standardowa kosmologia, opierająca się głównie na ogólnej teorii względności Einsteina, nie potrafi wyjaśnić tego fenomenu.

Drugi problem, na który nie daje żadnej odpowiedzi, dotyczy jednorodności wszechświata. Mianowicie obserwowany kosmos jest w znacznej mierze taki sam niezależnie od kierunku, w którym patrzymy. Docierające do nas mikrofalowe promieniowanie tła, stanowiące pamiątkę po Wielkim Wybuchu, cechuje się dokładnie taką samą temperaturą i identycznymi odchyleniami od średniej w każdym kierunku. Co w tym dziwnego? Otóż dociera ono do nas także z przeciwległych obszarów wszechświata, z terenów, które nie mogły w żaden sposób komunikować się ze sobą, gdyż informacje wysyłane z jednego z nich nie zdążyłyby dotrzeć do drugiego w czasie od Wielkiego Wybuchu (jakieś 13 mld lat temu). Ogólna teoria względności stanowi bowiem, że żadna informacja nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła, a ta ma skończoną wartość.

Jako rozwiązanie obu problemów proponuje się tzw. teorię inflacji. Stanowi ona, że w dalekiej przeszłości wszechświat przeszedł fazę niezwykle szybkiego rozszerzania się w tempie wykładniczym. Oznacza to, że w bardzo krótkim czasie, wręcz w ułamku sekundy, wielokrotnie powielał swe rozmiary.

W ten sposób z pojawiających się w pierwotnej próżni drobnych kwantowych zaburzeń mogły powstać wielkoskalowe struktury obecnego wszechświata, rozdmuchane do nieprawdopodobnych rozmiarów zmarszczki przedinflacyjnej czasoprzestrzeni.

Inflację kosmiczną opisuje się często jako ciekawą hipotezę, którą trudno potwierdzić doświadczalnie bądź obserwacyjnie. Will Kinney w książce „Nieskończoność światów. Kosmiczna Inflacja i Początek Wszechświata” opisuje jednak sposoby jej empirycznej weryfikacji. Skupia się przede wszystkim na badaniach wspomnianego już mikrofalowego promieniowania tła. Ważną jego cechą jest tzw. niezmienniczość skali. Polega na tym, że niezależnie od długości fali amplituda odchyleń jest taka sama. Długość fali zależy bowiem od tego, jak długo pierwotne zmarszczki kwantowe podlegały procesowi inflacji. Dłuższa inflacja oznacza rozciągnięcie długości fali do większych rozmiarów, natomiast amplituda zaburzeń pochodzących z tego samego źródła się nie zmienia.

Istotnym argumentem na rzecz teorii inflacji jest obecność zaburzeń pozahoryzontalnych, czyli przekraczających skalę Wszechświata dostępnego naszej obserwacji. Autor podaje jeszcze kilka innych matematycznych cech promieniowania tła, dość skomplikowanych i niełatwych do zrozumienia. Ogólna wymowa książki jest jednak dosyć prosta. Kosmiczna inflacja dawno opuściła już sferę hipotez, by zająć należne jej miejsce w naukowym mainstreamie.

Ma także inne zalety, pozwala chociażby uniknąć kłopotliwej z punktu widzenia ogólnej teorii względności początkowej osobliwości, a więc pojedynczego punktu, w którym załamywała się einsteinowska teoria grawitacji. Przestrzeń podlega wiecznej inflacji, tworzy kolejne rozpychane na skutek przemiany fazowej bąble, rozdymane do wielkości znacznie większych od obserwowalnego przez nas Wszechświata. Inflacja taka może trwać w nieskończoność, niekiedy jednak kończy się, pozostawiając gładką, jednorodną i prawie pustą przestrzeń naszego Wszechświata. Analiza zaburzeń pozahoryzontalnych wskazuje, że musiała zwiększyć się dwukrotnie przynajmniej 80 razy.

Górnej granicy nie ustalono. Przestrzeń mogła podlegać inflacji od zawsze i w wielu miejscach może podlegać jej dalej, w nieskończoność. Jedne rzeczy się nie kończą, inne jak najbardziej mogą. Do zobaczenia za tydzień przy urnach.

Marcin Nowak

Bibliogafia:

  • Kinney W: Nieskończoność światów. Kosmiczna Inflacja i Początek Wszechświata. Prószyński i S-ka, Warszawa 2023

Ilustracja: Rogilbert, Inflacja. Za Wikimedia Commons, w domenie publicznej