Поле инфлатона - это гипотетическое скалярное поле, которое, как предполагается, вызвало космическую инфляцию в очень ранней Вселенной . [1] [2] [3] Поле, первоначально постулированное Аланом Гутом , [1] обеспечивает механизм, с помощью которого может быть создан период быстрого расширения от 10 -35 до 10 -34 секунд после первоначального расширения , формируя Вселенная согласуется с наблюдаемой пространственной изотропией и однородностью.
Космологическая инфляция
Базовая [ требуется пояснение ] модель инфляции состоит из трех фаз: [4]
- Расширение вакуумного состояния с высокой потенциальной энергией
- Фазовый переход к истинному вакууму
- Медленная прокатка и повторный нагрев
Расширение вакуумного состояния с высокой потенциальной энергией
В квантовой теории поля , состояние вакуума или вакуум этого состояние квантовых полей, находится в локально минимальной потенциальной энергии. Квантовые частицы - это возбуждения, которые отклоняются от этого состояния с минимальной потенциальной энергией, поэтому в вакуумном состоянии нет частиц. В зависимости от специфики квантовой теории поля она может иметь более одного вакуумного состояния. Различные вакуумы, несмотря на то, что все они «пусты» (не содержат частиц), обычно будут иметь разную энергию вакуума . Квантовая теория поля утверждает, что давление энергии вакуума всегда отрицательно и по величине равно его плотности энергии.
Инфляционная теория постулирует, что существует вакуумное состояние с очень большой вакуумной энергией, вызванное ненулевым значением математического ожидания вакуума поля инфлатона. Любая область пространства в этом состоянии будет быстро расширяться. Даже если изначально он не пустой (содержит некоторые частицы), очень быстрое экспоненциальное расширение уменьшает плотность частиц практически до нуля.
Фазовый переход к истинному вакууму
Инфляционная теория также постулирует, что это состояние «инфляционного вакуума» не является состоянием с глобальной самой низкой энергией; скорее, это « ложный вакуум », также известный как метастабильное состояние.
Для каждого наблюдателя в любой выбранной точке пространства ложный вакуум в конце концов переходит в состояние с той же потенциальной энергией, но не является вакуумом (он не находится в локальном минимуме потенциальной энергии - он «может распадаться»). Это состояние можно рассматривать как настоящий вакуум, заполненный большим количеством инфлатонных частиц. Однако скорость расширения истинного вакуума в этот момент не меняется: только его экспоненциальный характер меняется на гораздо более медленное расширение метрики FLRW . Это гарантирует, что скорость расширения точно соответствует плотности энергии.
Медленная прокатка и повторный нагрев
В истинном вакууме частицы инфлатона распадаются, что в конечном итоге приводит к появлению наблюдаемых частиц Стандартной модели. Форма функции потенциальной энергии вблизи «туннельного выхода» из состояния ложного вакуума должна иметь пологий наклон, иначе образование частиц будет ограничено границей расширяющегося истинного вакуумного пузыря, что противоречит наблюдениям (наша Вселенная не построена из огромных полностью пустых пузыри). Другими словами, квантовое состояние должно «медленно катиться ко дну».
По завершении распад инфлатонных частиц заполняет пространство горячей и плотной плазмой Большого взрыва.
Кванты поля
Ожидается, что, как и любое другое квантовое поле, возбуждения поля инфлатона будут квантоваться. Кванты поля инфлатонного поля известны как инфлатоны . В зависимости от моделируемой плотности потенциальной энергии основное состояние поля инфлатона может быть, а может и не быть нулевым.
Термин « инфлатон» следует типичному стилю названий других квантовых частиц, таких как фотон , глюон , бозон и фермион, происходящих от слова « инфляция» . Этот термин впервые был использован в статье Нанопулоса, Оливии и Средницки (1983). [5] Природа поля инфлатона в настоящее время неизвестна. Одним из препятствий для сужения его свойств является то, что текущая квантовая теория не может правильно предсказать наблюдаемую энергию вакуума на основе содержания частиц выбранной теории (см. Катастрофу вакуума ).
Аткинс (2012) предположил, что, возможно, нет необходимости в новом поле - что модифицированная версия поля Хиггса может функционировать как инфлатон. [6]
Инфляция с неминимально связанной инфляцией
Неминимально связанная инфляция - это инфляционная модель, в которой константа, связывающая гравитацию с полем инфлатона, не мала. Константа связи обычно представлена как( Xi ), который присутствует в действии (построенном путем модификации действия Эйнштейна – Гильберта ): [7] : 1–2
- ,
с участием представляя силу взаимодействия между а также , которые соответственно относятся к кривизне пространства и величине поля инфлатона.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b Гут, Алан Х. (1997). Инфляционная Вселенная: поиски новой теории космического происхождения . Основные книги . стр. 233 -234. ISBN 978-0201328400.
- ^ Стейнхардт, Пол Дж .; Турок, Нил (2007). Бесконечная вселенная: за гранью взрыва . Случайный дом . п. 114. ISBN 978-0-7679-1501-4.
- ^ Стейнхардт, Пол Дж. (Апрель 2011 г.). «Дебаты об инфляции: действительно ли теория, лежащая в основе современной космологии, глубоко ошибочна?» (PDF) . Scientific American .
- ^ Цудзикава, Синдзи (2003). «Вводный обзор космической инфляции». arXiv : hep-ph / 0304257 .
- ^ Nanopoulos, DV; Olive, KA; Средницки, М. (1983). «После изначальной инфляции» (PDF) . Физика Письма Б . 127 (1–2): 30–34. Полномочный код : 1983PhLB..127 ... 30N . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (83) 91624-6 .
- ^ Аткинс, Майкл (март 2012). "Может ли бозон Хиггса быть инфлатоном?" (PDF) . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Герцберг, Марк П (2010). «Об инфляции с неминимальной связью». Журнал физики высоких энергий . 2010 (11): 23. arXiv : 1002.2995 . Bibcode : 2010JHEP ... 11..023H . DOI : 10.1007 / JHEP11 (2010) 023 . S2CID 54886582 .