ดาวและกาแลกซี่ที่เราเห็นอยู่ทุกวันนี้ไม่ได้มีอยู่เสมอไปและยิ่งย้อนกลับไปไกลเท่าไรยิ่งใกล้ที่จักรวาลจะได้รับความราบรื่นมากขึ้น แต่มีข้อ จำกัด เรื่องความราบรื่นที่อาจเกิดขึ้นได้มิฉะนั้นเราจะไม่มี โครงสร้างที่ทุกวันนี้ เพื่ออธิบายทุกอย่างเราต้องมีการปรับเปลี่ยน Big Bang: เงินเฟ้อทางดาราศาสตร์ (NASA, ESA และ A. Feild (STScI))

ทำไมจักรวาลของเราถึงไม่ราบรื่นอย่างสมบูรณ์แบบ?

ถ้าเป็นเช่นนั้นเราจะไม่อยู่ที่นี่ แต่มีคำตอบทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการยืนยันอย่างน่าทึ่ง

เมื่อเราตรวจสอบจักรวาลของเรามองออกไปเห็นดาวเคราะห์ดวงดาวกาแลกซี่และช่องว่างของจักรวาลที่กว้างใหญ่แยกพวกมันออก“ ราบเรียบ” ไม่ใช่คำแรกที่นึกถึง เว็บคอสมิคมหาศาลนั้นเป็นหนึ่งในสิ่งที่คึกคักที่สุดในโลกโดยมีดาวเคราะห์อย่างโลกประมาณ 1,030 เท่าหนาแน่นกว่าค่าเฉลี่ย ถึงกระนั้นจักรวาลก็ไม่ได้เป็นก้อนนี้เสมอไปหรือมันจะไม่มีวิวัฒนาการที่จะปรากฏอย่างที่เราเห็นในทุกวันนี้ มันต้องเกิดมาอย่างสมบูรณ์แบบเกือบสมบูรณ์แบบที่ความไม่สมบูรณ์เพียง 100,000 ส่วนหรือไม่น่าจะใช้เวลาหลายร้อยล้านปีในการก่อตั้งกาแลคซีแห่งแรก ความไม่สมบูรณ์เล็ก ๆ เหล่านั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งหรือเราจะไม่สร้างโครงสร้างที่เราเห็นทุกวันนี้! หลังจากหลายศตวรรษที่ไม่เข้าใจว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรหนึ่งในทฤษฎีที่ถกเถียงกันมากที่สุดของจักรวาลเรื่องเงินเฟ้อได้ให้คำตอบ และตอนนี้การวัดของเราได้รับความแม่นยำอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อนการคาดการณ์ของมันจะตรวจสอบอย่างน่าทึ่ง

ภาพประวัติศาสตร์ของเอกภพที่กำลังขยายตัวรวมถึงสภาวะร้อนแรงหนาแน่นที่รู้จักกันในชื่อว่าบิกแบงและการเติบโตและการก่อตัวของโครงสร้างในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตามเพื่อให้ได้โครงสร้างที่เราเห็นในวันนี้จักรวาลไม่สามารถเกิดมาได้อย่างสมบูรณ์แบบ (NASA / CXC / M. Weiss)

ตามอัตราเงินเฟ้อของจักรวาลบิ๊กแบงที่ร้อนแรงไม่ใช่จุดเริ่มต้นของอวกาศและเวลา แต่เป็นเพียงสภาวะเริ่มต้นที่ร้อนแรงหนาแน่นและขยายตัวอย่างรวดเร็ว มันคือเงินเฟ้อจักรวาลซึ่งเป็นช่วงที่เอกภพไม่ได้ถูกครอบงำด้วยสสารและรังสี แต่โดยพลังงานที่มีอยู่ในอวกาศนั้นเองที่สร้างบิ๊กแบง ช่วงเงินเฟ้อนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยการขยายพื้นที่แบบเอกซ์โพเนนเชียลเมื่อเอกภพขยายตัวเป็นสองเท่าจากนั้นเพิ่มเป็นสี่เท่าจากนั้นเพิ่มขนาดเป็นแปดเท่าเมื่อเวลาผ่านไป หลังจากเวลาผ่านไปเพียง 10–33 วินาทีขอบเขตของขนาดของสายทฤษฎีจากทฤษฎีสตริงจะถูกขยายให้มีขนาดใหญ่กว่าเอกภพที่สังเกตได้ในทุกวันนี้ กล่าวอีกนัยหนึ่งอัตราเงินเฟ้อของจักรวาลจะใช้ทุกอย่างที่มีอยู่ก่อนแล้วยืดออกจริง ๆ และเรียบและราบเรียบอย่างสมบูรณ์

เงินเฟ้อทำให้เกิดพื้นที่เพื่อขยายชี้แจงซึ่งสามารถส่งผลอย่างรวดเร็วในพื้นที่ที่มีอยู่ก่อนโค้งหรือไม่ราบรื่นปรากฏแบน ถ้าจักรวาลมีความโค้งใด ๆ เลยมันมีรัศมีของความโค้งที่ใหญ่กว่าที่เราสังเกตได้หลายร้อยเท่า (E. Siegel (L); การสอนเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาของ Ned Wright (R))

ดูเหมือนว่าในครั้งแรกที่เห็นว่าเป็นปัญหาที่ยิ่งใหญ่ ถ้าเงินเฟ้อขยายพื้นที่ให้แบนเรียบและเรียบเนียนแยกไม่ออกจากความสมบูรณ์แบบแล้วเราจะมาถึงจักรวาลอันวุ่นวายในวันนี้ได้อย่างไร ทั้งทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตันและไอน์สไตน์นั้นไม่มั่นคงต่อความไม่สมบูรณ์ซึ่งหมายความว่าถ้าคุณเริ่มต้นด้วยเอกภพที่ราบรื่น แต่เกือบจะไม่สมบูรณ์แบบเมื่อเวลาผ่านไปความไม่สมบูรณ์จะเพิ่มขึ้นและคุณจะจบลงด้วยโครงสร้าง แต่ถ้าคุณเริ่มต้นด้วยความเรียบเนียนอย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่มีข้อบกพร่องอย่างแท้จริงคุณจะยังคงราบรื่นตลอดไป แต่นี่ไม่ได้เป็นเรื่องที่เราสังเกตได้เลย มันต้องเกิดมาพร้อมกับความไม่สมบูรณ์ในความหนาแน่นของสสาร

แผนที่ของรูปแบบการจับกลุ่ม / การจับกลุ่มที่กาแลคซีในจักรวาลของเราจัดแสดงในวันนี้ ความต้องการที่จะได้รับมีความไม่สมบูรณ์เริ่มต้นในเรื่อง / ความหนาแน่นของพลังงาน (Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center)

ภาพเงินเฟ้อที่ไร้เดียงสาจึงต้องไม่สมบูรณ์ จะต้องมีวิธีในการสร้างความไม่สมบูรณ์เหล่านี้มิฉะนั้นจักรวาลจะไม่อยู่ในแบบที่เราเห็น แต่คุณสมบัติที่สำคัญของจักรวาลและเงินเฟ้อมาช่วยในรูปแบบที่งดงามที่สุด คุณจะเห็นว่าพื้นที่ว่างเปล่านั้นไม่ราบเรียบและราบเรียบอย่างสมบูรณ์ในตัวของมันเอง แต่ในระดับที่เล็กที่สุดจะแสดงความผันผวนของควอนตัม

การแสดงการคำนวณทฤษฎีสนามควอนตัมแสดงอนุภาคเสมือนจริงในสุญญากาศควอนตัม แม้ในพื้นที่ว่างเปล่าพลังงานสุญญากาศนี้ไม่เป็นศูนย์ (Derek Leinweber)

สิ่งนี้สามารถดูได้หลายวิธี: ความไม่แน่นอนโดยธรรมชาติต่อพลังงานของอวกาศเอง เมื่อความผันผวนของสุญญากาศ หรือเป็นชุดคู่อนุภาค - antiparticle popping เข้าและออกจากการดำรงอยู่ แต่ไม่ว่าคุณจะดูอย่างไรสิ่งหนึ่งยังคงชัดเจน: ถ้าคุณวาดกราฟความหนาแน่นพลังงานของจักรวาลและดูบนเกล็ดที่เล็กมากและละเอียดคุณจะเห็นว่ามันไม่สม่ำเสมอและคงที่ในอวกาศ หรือเวลาแม้ว่าคุณจะลบสสารและรังสีออกไป มีความผันผวนของควอนตัมโดยธรรมชาติกับโครงสร้างของพื้นที่เอง

ภาพประกอบของเอกภพยุคแรกซึ่งประกอบด้วยโฟมควอนตัมซึ่งความผันผวนของควอนตัมมีขนาดใหญ่หลากหลายและมีความสำคัญกับเครื่องชั่งขนาดเล็กที่สุด (นาซา / CXC / M.Weiss)

โดยปกติแล้วความผันผวนเหล่านี้จะยกเลิกกันโดยเฉลี่ยและคุณก็แค่ปิดท้ายด้วยพลังงานจุดศูนย์เล็ก ๆ ที่เป็นบวกอยู่ในอวกาศ แต่ในช่วงเงินเฟ้อความผันผวนของควอนตัมเหล่านี้ไม่มีโอกาสที่จะเฉลี่ยเพราะพื้นที่เองกำลังขยายตัวในอัตราเลขชี้กำลังนี้!

สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือความผันผวนเหล่านี้แผ่ขยายไปทั่วจักรวาลดังนั้นความคิดเรื่องความผันผวนของควอนตัมจึงไม่ถูก จำกัด อยู่ในระดับที่เล็กมาก ในช่วงเวลาที่มีขนาดเพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้นเอฟเฟกต์ควอนตัมเหล่านี้สามารถยืดเยื้อให้เกิดความผันผวนของพลังงานบนดาวฤกษ์กาแล็กซี่หรือแม้แต่เครื่องชั่งจักรวาลที่ล้อมรอบ!

ความผันผวนของควอนตัมที่เกิดขึ้นในช่วงเงินเฟ้อนั้นแผ่ขยายไปทั่วจักรวาล แต่พวกมันยังก่อให้เกิดความผันผวนของความหนาแน่นพลังงานทั้งหมดทำให้เรามีความโค้งเชิงพื้นที่ที่ไม่เป็นศูนย์เหลืออยู่ในจักรวาลในปัจจุบัน ความผันผวนของสนามเหล่านี้ทำให้เกิดความไม่สมบูรณ์ของความหนาแน่นในเอกภพยุคแรกซึ่งนำไปสู่ความผันผวนของอุณหภูมิที่เราพบในพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล (E. Siegel / Beyond the Galaxy)

ในขณะที่อัตราเงินเฟ้อยังคงดำเนินต่อไปความผันผวนของควอนตัมใหม่จะถูกสร้างขึ้นส่งผลให้เกิดความผันผวนเพิ่มเติมในระดับที่เล็กลงบนยอดที่มีขนาดใหญ่กว่า สิ่งนี้ดำเนินต่อไปเรื่อย ๆ สร้างรูปแบบของความผันผวนและภูมิภาคสุ่มของทุกขนาดที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงเกินไปและต่ำเกินไปตราบใดที่เงินเฟ้อยังคงดำเนินต่อไป

จากนั้นหลังจากเวลาที่กำหนดไม่แน่นอนเงินเฟ้อจะสิ้นสุดลง และเมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นพลังงานทั้งหมดที่อยู่ในอวกาศจะถูกแปลงเป็นสสารปฏิสสารและการแผ่รังสี เมื่อเงินเฟ้อสิ้นสุดลงบิกแบงร้อนแรงก็เริ่มขึ้นและจักรวาลก็เต็มไปด้วยสิ่งของ

การเปรียบเทียบของลูกบอลที่เลื่อนผ่านพื้นผิวสูงคือเมื่อเงินเฟ้อยังคงอยู่ในขณะที่โครงสร้าง crumbling และปล่อยพลังงานแสดงถึงการแปลงพลังงานเป็นอนุภาค (E. Siegel)

แต่ในภูมิภาคที่มีการใช้พลังงานมากเกินไปในระยะเริ่มแรกเนื่องจากความผันผวนของควอนตัมในช่วงอัตราเงินเฟ้อจะมีสสารแอนเทเธอร์และการแผ่รังสีมากกว่าค่าเฉลี่ยเล็กน้อย ในภูมิภาคที่มีปัญหาน้อยสสารแอนทายแมตเทอร์และรังสีจะมีอยู่เล็กน้อย และคลื่นความถี่นี้ในช่วงเวลาที่เกินกว่ากำหนดและค่าต่ำกว่ากำหนดควรส่งผลให้บริเวณที่เย็นกว่าและร้อนกว่าเล็กน้อยในแง่ของอุณหภูมิในจักรวาลเป็นผล

ภูมิภาคของพื้นที่ที่มีความหนาแน่นสูงกว่าค่าเฉลี่ยเล็กน้อยจะสร้างบ่อน้ำที่มีความโน้มถ่วงสูงกว่าให้ปีนออกไปซึ่งหมายความว่าแสงที่เกิดจากบริเวณนั้นจะดูเย็นกว่าเมื่อมาถึงสายตาของเรา ในทางกลับกันภูมิภาคที่มีความหนาแน่นต่ำจะมีลักษณะเป็นจุดร้อนขณะที่พื้นที่ที่มีความหนาแน่นเฉลี่ยอย่างสมบูรณ์จะมีอุณหภูมิเฉลี่ยที่สมบูรณ์แบบ (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

หลังจากที่จักรวาลได้รับรอบในขณะที่การขยายตัวและความเย็นแรงโน้มถ่วงจะทำงาน สิ่งนี้จะเพิ่มความผันผวนที่มีอยู่ในทุกทิศทางที่พวกเขาออกจากค่าเฉลี่ย ภูมิภาคที่ร้อนกว่าเล็กน้อยซึ่งอยู่ภายใต้การปกครองจะทำให้เรื่องของพวกเขาง่ายขึ้นไปสู่ภูมิภาคที่หนาแน่นขึ้น ภูมิภาคที่เย็นกว่านั้นซึ่งมีการใช้งานเกินจะดึงดูดความสนใจเรื่องที่มีประสิทธิภาพมากกว่าพื้นที่ที่มีความหนาแน่นต่ำหรือปานกลาง

มีความสมดุลที่ซับซ้อนระหว่างความโน้มถ่วงซึ่งทำงานเพื่อดึงดูดทุกอย่างตามตรรกะข้างต้นและการแผ่รังสีซึ่งกดกลับมาที่บริเวณที่หนาแน่นเกินไปเร็วเกินไป มันคือการมีอิทธิพลซึ่งกันและกันระหว่างความโน้มถ่วงรังสีและความผันผวนเริ่มต้นจากภาวะเงินเฟ้อซึ่งก่อให้เกิดการกระแทกวิกผมและความไม่สมบูรณ์ที่เราเห็นในไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล

ความผันผวนใน CMB ขึ้นอยู่กับความผันผวนในยุคแรกที่เกิดจากอัตราเงินเฟ้อ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง 'ส่วนที่แบน' บนเกล็ดขนาดใหญ่ (ด้านซ้าย) ไม่มีคำอธิบายใด ๆ หากปราศจากภาวะเงินเฟ้อและยังมีขนาดของความผันผวนที่ จำกัด พลังงานสูงสุดที่เอกภพเข้ามาถึงจุดสิ้นสุดของภาวะเงินเฟ้อ มันต่ำกว่าสเกลพลังค์ (ทีมวิทยาศาสตร์ของ NASA / WMAP)

โดยเฉลี่ยความผันผวนเริ่มต้นจะต้องมีค่าเฉลี่ย 1 ส่วนใน 30,000 หรือมากกว่านั้นซึ่งเป็นวิธีที่เรามาถึงความผันผวนที่เราสังเกตเห็นในการเรืองแสงที่เหลือของ Big Bang ความผันผวนเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นหลังจากเอกภพเป็นกลางและรังสีหยุดกระจายออกจากอิเล็กตรอนเพื่อสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เราเห็นในจักรวาลในปัจจุบัน เมื่อเวลาผ่านไปสิ่งนี้นำไปสู่การเติบโตของแรงดึงดูดของดวงดาวกาแล็กซี่กระจุกดาวและช่องว่างระหว่างจักรวาล

ดูรายละเอียดเกี่ยวกับจักรวาลเผยให้เห็นว่ามันทำจากสสารและไม่ใช่ปฏิสสารสสารที่ต้องใช้สสารมืดและพลังงานมืดและเราไม่ทราบที่มาของความลึกลับเหล่านี้ อย่างไรก็ตามความผันผวนใน CMB การก่อตัวและความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างขนาดใหญ่และการสังเกตที่ทันสมัยของเลนส์ความโน้มถ่วงทุกจุดไปสู่ภาพเดียวกันซึ่งเกิดจากการพองตัวของจักรวาล (Chris Blake และ Sam Moorfield)

ถ้าจักรวาลเกิดมาสมบูรณ์แบบอย่างสมบูรณ์แบบคงไม่มีทางที่จะได้โครงสร้างที่ละเอียดทั้งบนมาตราส่วนขนาดใหญ่และขนาดเล็กที่เรามีอยู่ทุกวันนี้ การสำรวจของเราต้องการว่าอย่างใดความผันผวนของขนาดเดียวกันที่มีอยู่ในเครื่องชั่งทั้งหมดและจักรวาลจะต้องเกิดมาในลักษณะนี้ เมื่อภาวะเงินเฟ้อเป็นมหาเศรษฐีครั้งแรกในปลายปี 1970 และต้นทศวรรษ 1980 ไม่มีทางรู้ได้ว่าความผันผวนเหล่านี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร นี่คือการทำนายว่าเงินเฟ้อจะไม่ได้รับการตรวจสอบมานานหลายสิบปี! ทว่าการยืนยันที่นี่นั้นน่าตื่นเต้นเพราะไม่มีทฤษฎีอื่นที่มีวิธีสร้างความผันผวนเหล่านี้และการสำรวจจับคู่สิ่งที่อัตราเงินเฟ้อคาดการณ์ไว้ในรูปแบบที่สมบูรณ์และไม่สามารถปฏิเสธได้เช่นดาวเทียมเช่น COBE, WMAP และล่าสุด Planck กลับข้อมูลของพวกเขา

ความผันผวนของควอนตัมที่เกิดขึ้นระหว่างเงินเฟ้อขยายตัวทั่วทั้งจักรวาลและเมื่อเงินเฟ้อสิ้นสุดลง เมื่อเวลาผ่านไปสิ่งนี้นำไปสู่โครงสร้างขนาดใหญ่ในจักรวาลในปัจจุบันรวมถึงความผันผวนของอุณหภูมิที่พบใน CMB (E. Siegel พร้อมภาพที่ได้จาก ESA / พลังค์และหน่วยปฏิบัติการระหว่างหน่วยงาน DoE / NASA / NSF ในการวิจัย CMB)

ผลที่ได้คือเรื่องราวที่น่าสนใจและสอดคล้องกับข้อมูลที่ไม่มีทางเลือกอื่น อัตราเงินเฟ้อไม่เพียง แต่เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในการจัดตั้งบิกแบงหรือแก้ปัญหาที่เรารู้ล่วงหน้า มันทำการคาดการณ์เชิงปริมาณเกี่ยวกับสิ่งที่เราคาดหวังว่าจะมีอยู่ในจักรวาลตั้งแต่ต้นจนถึงสมัยใหม่และการสำรวจยืนยัน อัตราเงินเฟ้อและธรรมชาติของควอนตัมเป็นเหตุผลว่าทำไมจักรวาลไม่ราบรื่นอย่างสมบูรณ์แบบในวันนี้และนั่นเป็นสิ่งที่ดีมาก ก็ไม่มีทางเป็นไปได้ที่เราจะมีอยู่

Starts With A Bang ได้เข้าร่วมฟอร์บส์และได้รับการตีพิมพ์ซ้ำในสื่อขอบคุณผู้สนับสนุน Patreon ของเรา อีธานได้ประพันธ์หนังสือสองเล่ม Beyond the Galaxy และ Treknology: วิทยาศาสตร์ของ Star Trek จาก Tricorders ถึง Warp Drive