Energitæthed



UNIVERSETS ENERGITÆTHED repræsenteres i disse tredimensionale diagrammer som en funktion af to Higgs felter, som er medlemmer af et særligt sæt felter, der postuleres i de grandforenede teorier for at redegøre for spontant symmetribrud. Hver overflade, som vises i tværsnit, er rotationssymmetrisk om en lodret akse, som svarer til en tilstand, hvori begge Higgs felter har en værdi på nul. I fravær af termiske anslag, vil denne tilstand af ubrudt symmetri, kendt som det falske vacuum, have en energitæthed på omkring 1095 erg pr. kubikcentimeter, eller 1059 gange en atomkernes energitæthed. Rotationssymmetrien brydes så snart et (eller begge) Higgs felter opnår en ikke-nul værdi. Her er teorien blevet udformet på en sådan måde, at tilstandene med lavest energitæthed, der kaldes sandt-vacuum tilstande, er tilstande med brudt symmetri, som danner en cirkel i det vandrette plan i bunden af hvert diagram. I denne analogi kan universets udvikling følges ved at forestille sig en bold, som ruller på overfladen. Boldens afstand fra aksen i centrum repræsenterer den kombinerede værdi af Higgs felterne og dens højde over den vandrette overflade repræsenterer universets energitæthed. Når Higgs felterne begge har en værdi på nul, er bolden placeret ved symmetriaksen; når Higgs felterne har en værdi, der svarer til den lavest mulige energitæthed, ligger bolden et sted i den sænkning, der repræsenterer brudt symmetri, eller sandt-vacuum tilstandene. I den oprindelige form af den inflatoriske model af universet antog man, at energitæthedsfunktionen havde form som diagrammet øverst. Den inflatoriske episode ville så finde sted, mens universet var i falsk vacuum tilstanden. Hvis den klassiske fysiks love var gældende, ville denne tilstand være fuldstændig stabil, fordi der ikke ville være nogen energi tilstede, som kunne bære Higgs felterne over den mellemliggende energibarriere. Ifølge kvantefysikkens love kan felterne i små områder af rummet imidlertid "tunnelere" gennem energibarrieren og danne bobler af brudt symmetri fase, som så ville begynde at vokse. I den nye inflatoriske model (midterste diagram) er der ingen energibarriere; i stedet er det falske vacuum på toppen af et temmelig fladt plateau. Under disse omstændigheder sker overgangen fra det falske vacuum til brudt symmetri fasen gennem en langsom overrulningsmekanisme: Higgs felterne skubbes bort fra deres startværdi på nul af varme- eller kvantefluktuationer og de fortsætter mod deres sandt vacuum værdier på næsten samme måde, som en bold ville rulle ned ad et plateau med samme form. Universets accelererede ekspansion finder sted i de tidlige trin af overrulningen, mens energitætheden forbliver nogenlunde konstant. Et enkelt domæne af brudt symmetri fase kunne så vokse sig stort nok til at omslutte hele det observerbare univers. Når Higgs felterne nåede bunden af sænkningen, ville de svinge omkring den laveste energitæthedsværdi og forårsage en genopvarmning af universet. I en variant af den nye inflatoriske model (det nederste diagram) er det falske vacuum omgivet af en lille energibarriere. Som i den oprindelige inflatoriske model henfalder det falske vacuum gennem den tilfældige dannelse af bobler, skabt ved tunnelering af Higgs felterne gennem energibarrieren. Fordi energibarrieren i dette tilfælde er lille, tunnelerer Higgs feltet kun til cirkler, der er mærket A. Da skråningen er temmelig flad ved A, udvikler Higgs felterne sig meget langsomt mod deres sandt-vacuum værdier. Universets accelererede ekspansion fortsætter så længe Higgs felterne forbliver nær A og en enkelt boble kunne vokse sig stor nok til at omslutte det observerbare univers.


Tilbage til Det inflatoriske univers