Inflationsteorien: Universets første brøkdel af et sekund

Den klassiske Big Bang-model forklarer universets udvikling fantastisk godt – men den efterlader nogle mærkelige "tilfældigheder" uforklarede. Inflationsteorien blev foreslået i begyndelsen af 1980'erne for at løse dem. Idéen er, at universet i en forsvindende kort periode lige i begyndelsen udvidede sig med en voldsom, accelererende fart.

Problemerne, som inflation skulle løse

Horisontproblemet

Baggrundsstrålingen har næsten præcis samme temperatur i alle retninger. Men i den klassiske model har modsatte sider af himlen aldrig været i kontakt med hinanden – lys har ikke haft tid til at rejse imellem dem. Hvordan kan de så have nøjagtigt samme temperatur? Det er lidt som at finde to kopper kaffe i hver sin ende af verden med præcis samme temperatur, uden at nogen har sammenlignet dem.

Fladhedsproblemet

Målinger viser, at rummet i stor skala er meget tæt på at være fladt. I den klassiske model er en flad geometri en ustabil balance – den mindste afvigelse i begyndelsen ville vokse enormt med tiden. At universet stadig er så fladt, kræver en næsten utrolig fintuning af startbetingelserne.

Hvor kommer strukturen fra?

Galakser og galaksehobe er vokset fra små tæthedsforskelle. Men hvad skabte de oprindelige udsving?

Løsningen: En kort, voldsom udvidelse

I 1980–81 foreslog den amerikanske fysiker Alan Guth, at universet gennemgik en fase, hvor det voksede eksponentielt. Russiske Alexei Starobinsky havde arbejdet med beslægtede idéer, og Andrei Linde samt Andreas Albrecht og Paul Steinhardt videreudviklede kort efter teorien til de versioner, der bruges i dag.

I de typiske modeller begyndte inflationen ca. 10⁻³⁶ sekunder efter starten og varede en brøkdel af et sekund. I den tid voksede afstande med en faktor på mindst 10²⁶ – det svarer til, at noget på størrelse med et atom blev større end et solsystem på et øjeblik. Bagefter blev energien, der drev inflationen, omdannet til de partikler og den stråling, som den "almindelige" Big Bang-historie begynder med.

Inflation løser de tre problemer på én gang:

1. Horisonten: Hele det område, der i dag er vores observerbare univers, var før inflationen så lille, at det kunne nå at udligne temperaturen.
2. Fladheden: Ligesom jordoverfladen ser flad ud for en myre, bliver enhver krumning udglattet, når rummet pustes op så voldsomt.
3. Strukturen: Små kvanteudsving – uundgåelige ifølge kvantefysikken – blev strakt ud til kosmiske størrelser og blev til frøene til galakser.

Hvad taler for teorien?

Inflation lavede forudsigelser, der siden er blevet testet:

• Rummet bør være meget tæt på fladt – bekræftet.
• Udsvingene i baggrundsstrålingen bør være næsten lige store på alle skalaer, men med en lille, bestemt hældning. Planck-satellitten har målt netop en sådan let afvigelse.
• Udsvingene bør følge en bestemt statistisk fordeling (næsten gaussisk) – også i god overensstemmelse med målingerne.

Det store manglende bevis

Hvis inflation fandt sted, burde den også have skabt tyngdebølger i rumtiden, der har efterladt et svagt hvirvelmønster (B-modes) i baggrundsstrålingens polarisation. I 2014 meddelte BICEP2-eksperimentet et fund, men signalet viste sig at kunne forklares med støv i Mælkevejen. Nye eksperimenter leder videre. Et fund ville være et meget stærkt bevis; manglende fund udelukker allerede en del af de simpleste modeller.

Kritikken

Inflation er bredt accepteret, men ikke uden kritikere – og nogle af dem er teoriens egne grundlæggere. Paul Steinhardt har fx argumenteret for, at teorien er så fleksibel, at den kan tilpasses næsten ethvert resultat og derfor er svær at falsificere. Andre peger på, at der ikke findes én inflationsteori, men hundredvis af modeller, og at vi ikke ved, hvilket felt der drev processen.

Et særligt diskuteret punkt er evig inflation: I mange modeller stopper inflationen kun lokalt, mens den fortsætter andre steder. Resultatet kan blive uendeligt mange "boble-universer" – en af vejene til multivers-idéen.

Opsummering

Inflationsteorien forklarer, hvorfor universet er så jævnt og fladt, og hvor frøene til galakser kom fra. Dens forudsigelser passer godt med målingerne, men det afgørende bevis – urtidens tyngdebølger – mangler stadig. Læs mere om Big Bang eller om gravitationsbølger, som vi allerede har målt fra andre kilder.