Το πληθωριστικό σύμπαν και οι πιθανές διαδρομές ενός σκιέρ

Mετά την δημοσίευση των δεδομένων της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck, τον Μάρτιο του 2013, οι κοσμολόγοι βρίσκονται σε μια κατάσταση που μοιάζει με το παρακάτω σενάριο:
Φανταστείτε πως ζείτε σε ένα απομονωμένο χωριό σε μια κοιλάδα που περικλείεται από βουνά. Γνωρίζετε προφανώς όλους τους κατοίκους του χωριού και μια μέρα εμφανίζεται στο χωριό ένας ξένος. Οι φήμες λένε πως ξένος έφτασε στο χωρίο από κάποια βουνό κάνοντας σκι. Πιστεύοντας τις εικασίες, θεωρείτε ότι αυτό είναι δυνατόν να γίνει μόνο από δύο συγκεκριμένες πλαγιές που οδηγούν στην κοιλάδα.
Η πρώτη πλαγιά – περιέχεται και στον τουριστικό οδηγό – είναι εύκολο να προσεγγιστεί χρησιμοποιώντας τελεφερίκ. Όλες οι πίστες της έχουν νορμάλ κλίση, ενώ οι συνθήκες ορατότητας και χιονιού είναι ευνοϊκές.
Η δεύτερη πλαγιά είναι εντελώς διαφορετική. Δεν περιέχεται στον τουριστικό οδηγό κι είναι επικίνδυνη λόγω συχνών χιονοστιβάδων. Η διαδρομή προς το χωριό είναι επικίνδυνη γιατί ξεκινάει από μια επίπεδη ράχη και ξαφνικά συνεχίζει με απότομους βράχους. Επιπλέον δεν υπάρχει τελεφερίκ για φτάσει κανείς εύκολα στην κορυφή. Ο μόνος τρόπος να φτάσει κάποιος στην κορυφή αυτής της πλαγιάς είναι μεταφερθεί με ελικόπτερο, από το οποίο στην συνέχεια θα πηδήξει με κίνδυνο της ζωής του! Μάλιστα για να φτάσει στο χωριό θα πρέπει να πέσει σε ένα συγκεκριμένο σημείο του λόφου (με ακρίβεια ιντσών), έχοντας ακριβώς την κατάλληλη ταχύτητα. Με το παραμικρό λάθος μπορεί να γκρεμοτσακιστεί ή να παγιδευτεί σε κάποια άσχετη πλαγιά, μακριά από το χωριό. Ακόμα χειρότερα η πτώση του σκιέρ από το ελικόπτερο μπορεί να προκαλέσει χιονοστιβάδες που θα τον καταπλάκωναν.
Αν λοιπόν οι φήμες είναι σωστές, ότι ο ξένος έφτασε στο χωριό με το σκι, είναι απόλυτα λογικό να συμπεράνουμε ότι ήρθε από τον πρώτο λόφο. Θα ήταν τρελό να φανταστεί κανείς ήρθε από την δεύτερη πλαγιά, αφού οι πιθανότητες επιτυχίας είναι απειροελάχιστες.

Αλλά τότε ανακαλύπτετε κάτι σημαντικό για τον ξένο. Δεν είχε βγάλει εισιτήριο με το τελεφερίκ. Με βάση την παρατήρηση αυτή, και με δεδομένο ότι οι φήμες επιμένουν ότι κατέβηκε στο χωριό με σκι, πρέπει να καταλήξετε στο περίεργο συμπέρασμα ότι ο ξένος κατέβηκε από τη δεύτερη πλαγιά. Ή να αμφισβητήσετε την αξιοπιστία των φημών ότι έφτασε κάνοντας σκι.
Τι σχέση έχει η παραπάνω ιστορία με το πληθωριστικό κοσμολογικό πρότυπο;Υπενθυμίζεται ότι ο πληθωρισμός (μια εκθετική διαστολή του σύμπαντος στις πρώτες στιγμές της ύπαρξής του) προκλήθηκε από μια υποθετική «πληθωριστική ενέργεια» εξαιτίας ενός πεδίου που διαποτίζει τον χώρο, το επονομαζόμενο «ίνφλατον». Διαφορετικές εκδοχές της θεωρίας του πληθωρισμού προτείνουν διαφορετικές σχέσεις μεταξύ της έντασης του πεδίου ίνφλατον και της πυκνότητας της πληθωριστικής ενέργειας.
Κατ΄αναλογία με την ιστορία του σκιέρ, αν το σύμπαν έφτασε στην σημερινή του κατάσταση διαμέσου μιας πληθωριστικής διαστολής, θα περιμέναμε μια καμπύλη πληθωριστικής ενεργειακής πυκνότητας, όπως της νορμάλ πλαγιάς που περιέχεται στους τουριστικούς οδηγούς. Και τούτο διότι έχει ένα απλό σχήμα από πάνω προς τα κάτω, τις λιγότερες ρυθμιζόμενες παραμέτρους και τις λιγότερο ευαίσθητες αρχικές συνθήκες για να ξεκινήσει ο πληθωρισμός.
Πράγματι, μέχρι τώρα, τα βιβλία της πληθωριστικής κοσμολογίας παρουσιάζουν τέτοιες απλές ομαλές καμπύλες. Ειδικότερα, η ενεργειακή πυκνότητα κατά μήκος αυτών των απλών καμπυλών αυξάνει σταθερά καθώς η ένταση του πεδίου αλλάζει, έτσι ώστε να είναι είναι δυνατή μια αρχική τιμή του πεδίου ίνφλατον, για την οποία η πληθωριστική ενεργειακή πυκνότητα να είναι ίση με έναν αριθμό που ονομάζεται πυκνότητα Planck (10120 φορές μεγαλύτερη από την σημερινή πυκνότητα) – την συνολική ενεργειακή πυκνότητα που ήταν διαθέσιμη όταν το σύμπαν εμφανίστηκε για πρώτη φορά από την Μεγάλη Έκρηξη.
Με αυτή την πλεονεκτική κατάσταση εκκίνησης στην οποία η μόνη μορφή ενέργειας είναι πληθωριστική, η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος μπορεί να ξεκινήσει αμέσως. Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού η ένταση του πεδίου ίνφλατον θα εξελιχθεί φυσικά, έτσι ώστε η ενεργειακή πυκνότητα να μειώνεται αργά και σταθερά ακολουθώντας την καμπύλη της πρώτης πλαγιάς προς την κοιλάδα, το τέλος της οποίας αντιστοιχεί στο σύμπαν στο οποίο ζούμε σήμερα (Μπορούμε να φανταστούμε αυτή την εξέλιξη σαν το πεδίο ίνφλατον να κάνει σκι προς τα κάτω κατά μήκος της καμπύλης).

Αυτή είναι η κλασική θεωρία του πληθωρισμού που παρουσιάζεται στα βιβλία.

Αλλά οι παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck μας λένε ότι αυτό το σενάριο δεν είναι σωστό.
Αν επιμείνουμε ότι ο πληθωρισμός πραγματοποιήθηκε, τα δεδομένα του Planck, απαιτούν το πεδίο ίνφλατον να ακολουθεί μια περισσότερο περίπλοκη καμπύλη ενεργειακής πυκνότητας, σαν αυτή της δεύτερης πλαγιάς, με τους απότομους βράχους, τις επικίνδυνες χιονοστιβάδες, την προαπαιτούμενη βουτιά ακριβείας από ελικόπτερο κλπ.
Οι δυο αυτές εκδοχές απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα. Η πρώτη (μπλε χρώμα αριστερά) είναι παρόμοια με τα κλασικά μοντέλα πληθωρισμού που περιέχονται στα διδακτικά βιβλία, ενώ η δεύτερη (ροζ χρώμα δεξιά) απαιτεί πολύ ειδικές αρχικές συνθήκες κάτι που την κάνει να φαίνεται εντελώς απίθανη.

1η εκδοχή (μπλε καμπύλη αριστερά): Aντικατοπτρίζει μια απότομη αύξηση στην ενεργειακή πυκνότητα και αντιστοιχεί σε παραδοσιακά μοντέλα του πληθωρισμού – μοιάζει με μια πλαγιά που μπορεί κανείς να κάνει εύκολα σκι. Αυτή η εικόνα μας δείχνει πως ξεκινάει ο πληθωρισμός στα κλασικά μοντέλα, με την πληθωριστική ενέργεια να θέτει ένα λογικό κατώφλι (στην πλαγιά του σκι το σημείο εκκίνησης καθορίζεται από το τελεφερίκ) και να εξελίσσεται με έναν σταθερό και προβλέψιμο τρόπο (όπως η ομαλή κλίση του λόφου προς τα κάτω). Δυστυχώς όμως αυτή η εικόνα απορρίπτεται από τα πρόσφατα αστρονομικά δεδομένα. 
2η εκδοχή (ροζ καμπύλη δεξιά): Αυτές οι εκδοχές της θεωρίας (ονομάζονται plateau models) και απαιτούν ιδιαιτέρως απίθανες συνθήκες για την έναρξη του πληθωρισμού – το πεδίο ίνφλατον είναι ασταθές και θα μπορούσε εύκολα να καταρρεύσει – γι αυτό το πεδίο πρέπει να πάρει ακριβώς μια συγκεκριμένη τιμή στην κατάλληλη χρονική στιγμή για ξεκινήσει ο πληθωρισμός. Τέτοια μοντέλα μοιάζουν με μια πλαγιά του σκι όπου δημιουργούνται εύκολα χιονοστιβάδες και για να ξεκινήσει ένας σκιέρ πρέπει να βρεθεί ακριβώς σε ένα πολύ συγκεκριμένο σημείο εκκίνησης, κάτι που επιτυγχάνεται με μόνο διαμέσου μιας επικίνδυνης πτώσης από ελικόπτερο!

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο των Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt και Abraham Loeb στο περιοδικό Scientific American ΕΔΩ ή δωρεάν ΕΔΩ

Πηγή: physicsgg.me