Ý tưởng về lạm phát vũ trụ-một sự giãn nở theo cấp số nhân của vũ trụ trong những giây phút đầu tiên - được đề xuất vào năm 1981, trong một bài báo đã đưa ra những ý tưởng mới lấy từ vật lý hạt đưa vào lý thuyết vũ trụ học.
30 năm trước, một bài báo trên Physical Review D hoàn toàn làm thay đổi tư duy khoa học về nguồn gốc của vũ trụ. Bài báo cho thấy, những ý tưởng mới từ vật lý hạt, hàm ý rằng vũ trụ có thể đã trải qua một giai đoạn nở rộng rất nhanh trong phần đầu tiên của một giây. Giai đoạn lạm phát này, được cho là có thể giải thích cho vũ trụ của chúng ta có mật độ như quan sát và có tính đồng nhất. Lạm phát không chỉ trở thành một nguyên lý trung tâm của lý thuyết vũ trụ học; nó cũng có nghĩa là bất kỳ lý thuyết vũ trụ học đầy tham vọng nào đều phải hàm chứa vật lý hạt trong nó.
Kính thiên văn vũ trụ James Webb sẽ được ra mắt trong năm 2014 (hoặc muôn hơn) có nhiệm vụ quan sát phổ hồng ngoại đến từ vũ trụ. Ngoài ra, nó còn quan sát các tia sáng từ thuở sơ khai trong lịch sử vũ trụ cũng như kiểm tra các khái niệm về lạm phát theo cấp số nhân của vũ trụ trong giai đoạn phôi thai đã được đề xuất vào năm 1981.
Trong những năm 1970, các nhà lý thuyết hạt bắt đầu xây dựng các lý thuyết thống nhất lớn (GUTs), trong đó đề xuất rằng ở nhiệt độ hoặc năng lượng trên khoảng 10^15 tỷ electron-volt (GeV), lực điện-từ, lực hạt nhân mạnh và yếu là thống nhất. Trong các mô hình chuẩn Big Bang, vũ trụ lúc đầu có thể nóng đủ để đạt được sự thống nhất lớn đó. Sau đó, vũ trụ ở độ tuổi khoảng 10^-35 giây, lực hạt nhân mạnh bị tách ra, lực điện-yếu vẫn còn thống nhất. Một hệ quả không mong muốn của quá trình chuyển đổi này, các nhà lý thuyết nhận ra, là nó sẽ làm cho cực từ bắc và nam bị tách rời rất mạnh mẽ, hoặc hình thành các đơn cực - một hiện tượng không phù hợp với các quan sát vũ trụ.
Hai vấn đề dường như không liên quan cùng tồn tại trong vũ trụ vào thời điểm đó. Đầu tiên, vấn đề đồng nhất: vũ trụ đã nở rộng rất nhanh chóng, chưa đủ thời gian cho tất cả các vùng của vũ trụ như quan sát được ngày hôm nay cân bằng nhiệt độ và mật độ giữa chúng bằng cách trao đổi vật chất và năng lượng. Lý do tại sao, sau đó, vũ trụ được tìm kiếm không nhiều hơn hoặc ít hơn mà gần như nhau ở khắp mọi nơi?
Câu đố thứ hai là vũ trụ của chúng ta dường như là "phẳng" - trên quy mô khoảng cách lớn nhất, không gian có ít hoặc không có độ cong. Nhưng trong các mô hình vũ trụ học chuẩn, một vũ trụ bắt đầu với một chút độ cong, dương hay âm, đều có giới hạn như trường hợp phẳng khi vũ trụ đó giãn nở. Một vũ trụ đó là gần như bằng phẳng sau hơn mười tỷ năm là điều thật khó để lý giải như một chiếc bút chì vẫn mãi cân bằng ở một vị trí khi thời gian dài vô tận [Tức là trong các mô hình vũ trụ học, dù xét trong trường hợp nào (vũ trụ phẳng hay có độ cong) đều cho thấy vũ trụ giãn nở như nhau trong khoảng 10-13 tỷ năm vì vậy vũ trụ gần như phẳng].
Cuối năm 1979, Alan Guth, sau đó tại Trung tâm gia tốc tuyến tính Stanford ở California, nhận ra rằng một giải pháp về vấn đề đơn cực mà ông đã đưa ra lúc bây giờ khi ông làm việc với một đồng nghiệp [1] cũng có thể giải quyết hai câu đố chính trên. Các giải pháp liên quan đến một thành phần của GUTs được gọi là trường Higgs, được giả định là tràn ngập trong không gian. Khi vũ trụ nở rộng và lạnh xuống, tương tác mạnh tách ra khỏi sự thống nhất khi trường Higgs thay đổi từ một giá trị sang một giá trí khác. Để giải quyết vấn đề đơn cực, Guth và Henry Tye, cả hai tại Đại học Cornell năm trước đây, cho rằng các trường Higgs đã không chuyển đổi giá trị ngay lập tức nhưng đã chuyển từ từ do bị mắc kẹt ở một giá trị không đúng nào đó. Điều này giống như một quả bóng bị mắc kẹt trong một cái hốc ở phía trên một ngọn đồi, ngăn không cho nó lăn xuống thung lũng bên dưới. Sự chuyển đổi chậm cùa trường Higgs là nguyên nhận làm cho monopole được sinh ra ít hơn.
Guth bắt đầu cho rằng quá trình chuyển đổi bị trì hoãn là nguyên nhân cho việc nở rộng của vũ trụ. Khi trường Higgs bị mắc kẹt tại các giá trị sai, năng lượng của nó trở nên chiếm ưu thế trong vũ trụ, với các tính chất lạ này làm cho vũ trụ nở rộng với cấp số nhân theo thời gian, ngược lại việc giãn nở thông thường là chậm hơn vì vũ trụ chỉ thổng trị bới vật chất và bức xạ.
"Lạm phát", như Guth gọi là nở rộng theo cấp số nhân, giải quyết vấn đề đồng nhất bởi vì nó là một phần của vũ trụ sơ khai đủ nhỏ để có thể bị làm mờ bởi các quá trình nội bộ và thổi vũ trụ lên thành một khu vực lớn hơn chúng ta có thể thấy ngày nay. Ông cũng cho thấy lạm phát làm cho vũ trụ gần như phẳng hoàn hảo khi vũ trụ tiến xa hơn.
Trong bài báo của mình, Guth thừa nhận một vấn đề nghiêm trọng với mô hình của mình. Các trường Higgs không hoàn thành quá trình chuyển đổi trong mọi khu vực của không gian, để lại một vũ trụ không đồng nhất không giống như vũ trụ chúng ta thấy. Tuy nhiên, chỉ sau một năm, những người khác tìm cách điều chỉnh lý thuyết và tránh vấn đề này [2].
Rocky Kolb, hiện làm việc tại Đại học Chicago, nói rằng vào thời điểm đó một vài nhà vật lí hạt trẻ đã bắt đầu quan tâm về vũ trụ học, nhưng với anh vấn đề đơn cực có vẻ cấp bách hơn các câu đố vũ trụ học khác. "Chúng tôi không cho rằng bất kỳ ý niệm mơ hồ [lạm phát] sẽ là khái niệm mạnh mẽ có thể dùng được". Nhưng bây giờ, ông nói, lạm phát được phổ quát trong vũ trụ học và hứa hẹn sẽ giải thích nhiều hơn nữa, bao gồm cả nguồn gốc của các cấu trúc, như thiên hà và các cụm thiên hà .
-David Lindley
David Lindley là một nhà khoa học tự do ở Alexandria, Virginia.
Dịch và tổng hợp bởi Võ Quốc Phong
Tài Liệu tham khảo
1. A. H. Guth and S.-H. H. Tye, “Phase Transitions and Magnetic Monopole Production in the Very Early Universe,” Phys. Rev. Lett. 44, 631 (1980).
2. Andreas Albrecht and Paul J. Steinhardt, “Cosmology for Grand Unified Theories with Radiatively Induced Symmetry Breaking,” Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982); A. D. Linde, “A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution of the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy, and Primordial Monopole Problems,” Phys. Lett. B 108 389 (1982).
Nguồn: http://physics.aps.org/story/v27/st12
