Inflationen er død; længe leve inflationen

Hvordan et univers med for lidt tæthed ikke kuldsejler kosmisk inflation

af George Musser

Gennem det sidste år har observerende astronomer omsider overbevist teoretikerne om, at universet indeholder mindre stof end inflationsteorien forudsiger. Universets udvidelse, anskueliggjort af fjerne supernovaer og galakser, der udsender radiostråling, decelererer for langsomt. Galaksehobenes masse, som den udledes af deres indre bevægelser og deres evne til at fokusere lyset fra fjernere objekter, er for lav. Antallet af disse hobe, som burde vokse, hvis der er tilstrækkeligt råmateriale, har ændret sig for lidt. Og mængden af deuterium, som er omvendt proportional med den totale mængde stof, er for høj. Det ser ud til, at der kun er en tredjedel af det stof, som er nødvendigt for geometrisk fladhed, inflationens forventede resultat.
    Men kosmologerne siger, at observationerne langt fra dræber teorien, de gør den mere nødvendig end nogensinde - men i en ny form. Ingen anden teori besvarer et nagende problem i Big Bang kosmologi: Hvorfor er universet bare en smule fladt? I tidens løb burde kosmos forekomme mere og mere krumt, efterhånden som mere af det kommer til syne og dets form i sin helhed bliver mere indlysende. Nu, milliarder af år efter Big Bang, burde universet være yderst krumt, hvilket enten ville gøre det deprimerende øde eller uigennemtrængeligt tæt.

    Inflationsteorien - som blev udviklet i begyndelsen af 1980'erne af Alan H. Guth, nu på Massachusetts Institute of Technology og Andrei D. Linde, nu på Stanford University -løste problemet ved at postulere, at universet gennemgik en periode med accelererende ekspansion. Områder, der engang lå ved siden af hinanden, skiltes fra hinanden hurtigere end lyset (hvilket rummet kan - Einsteins specielle relativitetsteori gælder for hastigheder inde i rummet). Som resultat ser vi nu kun en stump af rummet. Dets form i sin helhed er ikke synlig endnu; hver stump ser flad ud. Inflationen forklarer også, at universet er næsten helt ensartet: enhver klumpethed findes i så stor skala, at vi ikke kan percipere den.
    Men hvis observatører ikke kan finde nok stof til at flade rummet ud, må teoretikerne drage én af to vanskelige konklusioner. Den første er, at en eller anden ny slags mørkt stof udgør forskellen. Det antydede stof går under navnet "kvintessens", først brugt i denne forbindelse af Lawrence M. Krauss fra Case Western Reserve University. Brugen refererer til Aristoteles' æter; bortset herfra er noget, der gør rede for to tredjedele af den fysiske virkelighed, sandelig kvintessentielt.
    Kvintessens slutter sig til to tidligere postulerede former for mørkt stof: svagt lysende, men ellers normalt stof (muligvis løbske brune dværge) og medfødt usynlige elementarpartikler (muligvis neutrinoer, hvis disse spøgelsesagtige partikler har en ganske lille masse). De afslører sig begge ved kun at trække ganske lidt i synlige galakser og stjerner. Forskerne ved endnu mindre om kvintessens. Den kosmiske fladhed kræver, at den indeholder energi, men angiver ikke hvilken slags; universets udvidelse og galaksernes sammenklumpning medfører, at kvintessens udøver en tyngdemæssig frastødning og skyr almindeligt stof.
    En form for kvintessens menes allerede at have drevet inflationen og derefter være uddødt under skabelsen af almindeligt stof. Nu kan den være tilbage, for at udfordre sit afkom om kontrollen over universet. Hvis kvintessensen vinder, vil universet udvide sig evigt i en ny omgang inflation. Vor skæbne afhænger af, hvad kvintessensen er lavet af. Den enkleste mulighed, Einsteins kosmologiske konstant, vinder i relativ styrke efterhånden som den kosmiske ekspansion fortynder stoffet. Men andre former for kvintessens, som fjerlette partikler eller bøjninger af rumtiden, ville efterhånden forsvinde. I maj funderede Christoffer T. Hill fra Fermi National Accelerator Laboratory over, om mysteriet kvintessens hang sammen med et andet: neutrinoens masse.
    Indtil videre er det eneste bevis for kvintessens usikkert. De nyeste supernova observationer antyder, at den kosmiske ekspansion accelererer og nylige målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling viser, at trekanter virkelig har en vinkelsum på 180 grader, som de burde i fladt rum.
    Men manglen på et direkte bevis - såvel som en observeret mangel på gravitationslinser, som antyder, at universet er mindre end visse former for kvintessens ville gøre det - har ført mange kosmologer til en anden vanskelig konklusion: måske stoppede inflationen før den gjorde rummet helt fladt. I traditionel inflation ville dette gøre universet 100.000 gange for klumpet. Det ny trick er, at slå to fluer med to smæk: at antage, at universets ensartethed ikke skyldes den samme proces, som formede det. Måske blev universet gjort ensartet af en tidligere omgang inflation, var ensartet fra begyndelsen eller havde en særlig form, som lod det ujævne sig hurtigt.

To-omgange inflationsteori blev udviklet i 1995 af to hold: Martin Bucher fra Princeton University, Neil G. Turok, nu på University of Cambridge og Alfred S. Goldhaber fra State University of New York at Stony Brook; og Kazuhiro Yamamoto fra Kyoto University og Misao Sasaki og Takahiro Tanaka fra Osaka University. I denne teori skaber den første runde et ensartet mega-univers. Inde i det dannes spontant selvstændige universer. Hvert univers gennemgår en ny omgang inflation, som slutter for tidligt og efterlader det krumt. Mængden af krumning varierer fra boble til boble.
    Den anden ide, som blev bekendtgjort i februar af Turok og Stephen W. Hawking fra Cambridge er, at det glatte univers ikke gurglede frem fra et sodaunivers men fra lutter intethed. I en opdatering af Hawking's ti år gamle arbejde på skabelse ex nihilo anviste de en "instanton" - løst sagt, en matematisk formel for forskellen mellem eksistens og ikke-eksistens - som betød, at vi faktisk burde leve i et lidt krummet univers.
    Endelig har universet måske en usædvanlig topologi således, at forskellige dele af kosmos er forbundet med tråde. Så giver universet kun en illusion om umådelig størrelse og de forskellige stier lader stoffet blande sig og blive jævnt. Denne slags spekulationer daterer sig til 1920'erne, men blev støvet af for to år siden af Neil J. Cornish fra Cambridge, David N. Spergel fra Princeton og Glen D. Starkman fra Case Western Reserve.
    Som alle gode kosmologiske teorier fører disse ideer til nogle absurde konklusioner. Boble og ex nihilo universerne er uendelige, hvilket kvantelove forbyder. Løsningen: lad universet være både uendeligt og endeligt. Udefra er det endeligt, hvilket holder kvantepolitiet tilfreds; indvendig overtager "rummet" tidens uendelige egenskaber. I tråduniverset har lyset fra et givet objekt adskillige forskellige måder at nå os på, så vi burde se adskillige kopier af det. I princippet kunne vi se ud i himlen og se Jorden.
    Mere bekymrende er det, at disse modeller forlader et af inflationsteoriens grundlæggende mål: at forklare universet som det almene resultat af en enkel proces uafhængigt af vanskeligt fattelige begyndelsesforhold. Omkostningen er, at kosmologer nu kan udsætte metafysisk spekulation - inkluderende tolkninger af kvantemekanik og gætterier om "før" - for afprøvning gennem observation.
    Ud af al denne brainstorming kan der dukke en endnu dybere teori end standard inflation; ved at kaste grus i maskineriet kan observatørerne have repareret det. Kommende observationer af mikrobølgebaggrunden og galakse klumper i høj opløsning burde afgøre sagen. Men hvis ikke, vil kosmologerne måske begynde at stille spørgsmål om selve den moderne fysiks grundlag. "Hvis de eksperimentelle data er inkonsistente med praktisk taget alt, kan det være et signal om, at vi skal ændre gravitationsteori - Einstein teori", siger Linde.

Oversat fra Inflation is Dead; Long Live Inflation, Scientific American, juli 1998, ss. 9-12.

20. februar, 2006.

Kosmologiens gyldne tidsalder :Én sti: Hygge i 4-D
Index