Inflação eterna - Eternal inflation

A inflação eterna é um modelo hipotético de universo inflacionário , que é uma conseqüência ou extensão da teoria do Big Bang .

De acordo com a inflação eterna, a fase inflacionária da expansão do universo dura para sempre na maior parte do universo. Como as regiões se expandem exponencialmente rapidamente, a maior parte do volume do universo em um determinado momento está inflando. A inflação eterna, portanto, produz um multiverso hipoteticamente infinito , no qual apenas um volume fractal insignificante acaba com a inflação.

Paul Steinhardt , um dos pesquisadores originais do modelo inflacionário, apresentou o primeiro exemplo de inflação eterna em 1983, e Alexander Vilenkin mostrou que é genérico.

O artigo de Alan Guth de 2007, "Inflação eterna e suas implicações", afirma que sob suposições razoáveis ​​"Embora a inflação seja genericamente eterna no futuro, não é eterna no passado." Guth detalhou o que se sabia sobre o assunto na época e demonstrou que a inflação eterna ainda era considerada o resultado provável da inflação, mais de 20 anos depois que a inflação eterna foi introduzida pela primeira vez por Steinhardt.

Visão geral

Desenvolvimento da teoria

Artigo principal: nucleação de bolha

A inflação, ou teoria do universo inflacionário, foi originalmente desenvolvida como uma forma de superar os poucos problemas restantes com o que seria considerada uma teoria de cosmologia bem-sucedida, o modelo do Big Bang.

Em 1979, Alan Guth introduziu o modelo inflacionário do universo para explicar por que o universo é plano e homogêneo (o que se refere à distribuição uniforme de matéria e radiação em grande escala). A ideia básica era que o universo passou por um período de rápida expansão acelerada alguns instantes após o Big Bang. Ele ofereceu um mecanismo para fazer com que a inflação começasse: a falsa energia do vácuo . Guth cunhou o termo "inflação" e foi o primeiro a discutir a teoria com outros cientistas em todo o mundo.

A formulação original de Guth era problemática, pois não havia uma maneira consistente de pôr fim à época inflacionária e acabar com o universo quente, isotrópico e homogêneo observado hoje. Embora o falso vácuo pudesse decair em "bolhas" vazias de "vácuo verdadeiro" que se expandiam à velocidade da luz, as bolhas vazias não poderiam se aglutinar para reaquecer o universo, porque não conseguiam acompanhar o restante do universo em expansão.

Em 1982, esse " problema de saída graciosa " foi resolvido independentemente por Andrei Linde e por Andreas Albrecht e Paul J. Steinhardt, que mostraram como acabar com a inflação sem fazer bolhas vazias e, em vez disso, acabar com um universo quente em expansão. A ideia básica era ter um "rolo lento" contínuo ou evolução lenta do falso vácuo para o verdadeiro sem fazer bolhas. O modelo aprimorado foi denominado "nova inflação".

Em 1983, Paul Steinhardt foi o primeiro a mostrar que essa "nova inflação" não precisa acabar em todos os lugares. Em vez disso, ele pode terminar apenas em um patch finito ou uma bolha quente cheia de matéria e radiação, e essa inflação continua na maior parte do universo enquanto produz bolha quente após bolha quente ao longo do caminho. Alexander Vilenkin mostrou que, quando os efeitos quânticos são incluídos corretamente, isso é realmente genérico para todos os novos modelos de inflação.

Usando ideias introduzidas por Steinhardt e Vilenkin, Andrei Linde publicou um modelo alternativo de inflação em 1986, que usou essas ideias para fornecer uma descrição detalhada do que ficou conhecido como teoria da inflação caótica ou inflação eterna.

Flutuações quânticas

A nova inflação não produz um universo perfeitamente simétrico devido às flutuações quânticas durante a inflação. As flutuações fazem com que a densidade de energia e matéria seja diferente em diferentes pontos do espaço.

As flutuações quânticas no campo da inflação hipotética produzem mudanças na taxa de expansão que são responsáveis ​​pela inflação eterna. As regiões com maior taxa de inflação se expandem mais rapidamente e dominam o universo, apesar da tendência natural de a inflação acabar nas demais regiões. Isso permite que a inflação continue para sempre, para produzir uma inflação eterna no futuro. Como um exemplo simplificado, suponha que, durante a inflação, a taxa de decaimento natural do campo do ínflaton seja lenta em comparação com o efeito da flutuação quântica. Quando um mini-universo infla e "se auto-reproduz" em, digamos, vinte mini-universos causalmente desconectados de tamanho igual ao do mini-universo original, talvez nove dos novos mini-universos tenham um tamanho maior, em vez de menor, valor médio do campo do ínflaton do que o minuniverso original, porque eles inflaram a partir de regiões do minuniverso original, onde a flutuação quântica empurrou o valor do ínflaton mais para cima do que a taxa de decaimento da inflação lenta trouxe o valor do ínflaton para baixo. Originalmente, havia um minuniverso com um determinado valor do ínflaton; agora, existem nove mini-universos que têm um valor de ínflaton ligeiramente maior. (É claro que também existem onze miniversos em que o valor do ínflaton é ligeiramente inferior ao que era originalmente.) Cada miniverso com o valor do campo do ínflaton maior reinicia uma rodada semelhante de auto-reprodução aproximada dentro de si mesmo. (Os mini-universos com valores de ínflaton mais baixos também podem se reproduzir, a menos que seu valor de ínflaton seja pequeno o suficiente para que a região saia da inflação e cesse a auto-reprodução.) Esse processo continua indefinidamente; nove mini-universos do alto ínflaton podem tornar-se 81, depois 729 ... Portanto, há uma inflação eterna.

Em 1980, as flutuações quânticas foram sugeridas por Viatcheslav Mukhanov e Gennady Chibisov na União Soviética no contexto de um modelo de gravidade modificada de Alexei Starobinsky como possíveis sementes para a formação de galáxias.

No contexto da inflação, as flutuações quânticas foram analisadas pela primeira vez no Workshop Nuffield de três semanas sobre o Universo muito antigo na Universidade de Cambridge. A força média das flutuações foi calculada primeiro por quatro grupos trabalhando separadamente ao longo do workshop: Stephen Hawking ; Starobinsky; Guth e So-Young Pi; e James M. Bardeen , Paul Steinhardt e Michael Turner .

Os primeiros cálculos derivados do Nuffield Workshop focaram apenas nas flutuações médias, cuja magnitude é muito pequena para afetar a inflação. No entanto, começando com os exemplos apresentados por Steinhardt e Vilenkin, a mesma física quântica mais tarde foi mostrada para produzir grandes flutuações ocasionais que aumentam a taxa de inflação e mantêm a inflação eternamente.

Desenvolvimentos posteriores

Ao analisar os dados do satélite Planck de 2013, Anna Ijjas e Paul Steinhardt mostraram que os modelos inflacionários mais simples foram eliminados e que os modelos restantes requerem condições iniciais exponencialmente mais ajustadas, mais parâmetros a serem ajustados e menos inflação. As observações posteriores do Planck relatadas em 2015 confirmaram essas conclusões.

Um artigo de Kohli e Haslam de 2014 questionou a viabilidade da teoria da inflação eterna, ao analisar a teoria caótica da inflação de Linde, na qual as flutuações quânticas são modeladas como ruído branco gaussiano. Eles mostraram que, neste cenário popular, a inflação eterna de fato não pode ser eterna, e o ruído aleatório faz com que o espaço-tempo seja preenchido com singularidades. Isso foi demonstrado mostrando que as soluções para as equações de campo de Einstein divergem em um tempo finito. Seu artigo, portanto, concluiu que a teoria da inflação eterna baseada em flutuações quânticas aleatórias não seria uma teoria viável, e a existência resultante de um multiverso "ainda é uma questão em aberto que exigirá uma investigação muito mais profunda".

Inflação, inflação eterna e o multiverso

Em 1983, foi mostrado que a inflação poderia ser eterna, levando a um multiverso no qual o espaço é dividido em bolhas ou manchas cujas propriedades variam de remendo para remendo, abrangendo todas as possibilidades físicas.

Paul Steinhardt, que produziu o primeiro exemplo de inflação eterna, acabou se tornando um forte oponente da teoria. Ele argumentou que o multiverso representava um colapso da teoria inflacionária, porque, em um multiverso, qualquer resultado é igualmente possível, então a inflação não faz previsões e, portanto, não pode ser testada. Conseqüentemente, argumentou ele, a inflação falha como condição-chave para uma teoria científica .

Linde e Guth, no entanto, continuaram a apoiar a teoria inflacionária e o multiverso. Guth declarou:

É difícil construir modelos de inflação que não conduzam a um multiverso. Não é impossível, então acho que certamente ainda há pesquisas que precisam ser feitas. Mas a maioria dos modelos de inflação leva a um multiverso, e as evidências da inflação nos levarão a levar a sério a ideia de um multiverso.

De acordo com Linde, "É possível inventar modelos de inflação que não permitem um multiverso, mas é difícil. Todo experimento que dá mais crédito à teoria inflacionária nos aproxima muito mais de indícios de que o multiverso é real."

Em 2018, o falecido Stephen Hawking e Thomas Hertog publicaram um artigo no qual a necessidade de um multiverso infinito desaparece conforme Hawking descreve sua teoria dá universos que são "razoavelmente suaves e globalmente finitos". A teoria usa o princípio holográfico para definir um 'plano de saída' do estado atemporal de inflação eterna, os universos que são gerados no plano são descritos usando uma redefinição da função de onda sem limite ; na verdade, a teoria requer um limite no desde o começo. Declarado simplesmente Hawking diz que suas descobertas "implicam uma redução significativa do multiverso" que, como a Universidade de Cambridge aponta, torna a teoria "preditiva e testável" usando astronomia de ondas gravitacionais .

Veja também

Referências

links externos