Πεδίο Higgs και πληθωρισμός τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος

Ο Alan  Guth, που στην αρχή είχε ασχοληθεί με τη σωματιδιακή φυσική και μετά ανακάλυψε την ιδέα του πληθωρισμού, μπόρεσε να εφαρμόσει τις Θεωρίες της Μεγάλης Ενοποίησης GUTs στην κοσμολογία. Έτσι, μπόρεσε να πάρει ακριβώς τον κατάλληλο μηχανισμό για να πετύχει την εκθετική διαστολή ή πληθωρισμό στις απαρχές του Κόσμου μας.

Στην εποχή Planck οι διαστάσεις του σύμπαντος ήταν μικρότερες από τον πυρήνα ενός ατόμου, περίπου, 10^-35  εκατοστά ενώ μετά από αυτήν το σύμπαν αποκτά κανονικά τις 4 διαστάσεις του

 

Μετά την εποχή Planck, κατά τα πρώτα 10 ^-43 του δευτερολέπτου, σπάει η αρχική μεγάλη συμμετρία  και η βαρύτητα αποχωρίζεται από τις υπόλοιπες τρεις δυνάμεις. Ομοίως η ισχυρή πυρηνική δύναμη – περίπου στα πρώτα 10^-35 sec – αποχωρίζεται από την ηλεκτρασθενή (άλλη μια διάσπαση συμμετρίας).

 

Στα πλαίσια των θεωριών της μεγάλης ενοποίησης υπάρχουν βαθμωτά πεδία τα οποία σχετίζονται με τις διασπάσεις αυτών των συμμετριών. Ακριβώς τότε    – και σε χρόνο 10^-32 sec περίπου   – τα βαθμωτά πεδία διπλασίασαν το μέγεθος του σύμπαντος τουλάχιστον κατά μια φορά ανά 10^-34 του δευτερολέπτου ή μέσα σε 10^-32 sec έγιναν 100 διπλασιασμοί μεγέθους.

 

Το μοντέλο του Guth ξεκινά από την ιδέα της μετάβασης Higgs, δηλαδή την χρονική στιγμή που διασπώνται οι GUTs, ή την διαδικασία με την οποία καταστρέφεται η συμμετρία τους, καθώς τα διανυσματικά μποζόνια Χ της GUT «καταβροχθίζουν» τα σωματίδια Higgs και αποκτούν μάζα.

Το κενό μπορεί όπως και το άτομο να έχει μία ή περισσότερες διεγερμένες καταστάσεις. Αυτές οι καταστάσεις του κενού θα έχουν πολύ διαφορετικές ενέργειες, αν και θα φαίνονταν απολύτως όμοιες. Η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (δηλαδή η θεμελιώδης κατάσταση) ονομάζεται μερικές φορές αληθές κενό.  Ένα διεγερμένο κενό αντίθετα αναφέρεται ως ψευδοκενό. Στο ψευδοκενό τα πεδία Higgs είναι μηδενικά, ενώ εκεί η πυκνότητα της ενέργειας των πεδίων Higgs είναι κολοσσιαία και σταθερή! Αντίθετα, στο αληθές κενό (με τη χαμηλότερη πυκνότητα ενέργειας) η ενέργεια των πεδίων Higgs έχει την ελάχιστη τιμή της, όμως το ίδιο το πεδίο Higgs είναι διάφορο του μηδενός και μπορεί έτσι να δώσει μάζα στα μέχρι τότε άμαζα σωματίδια, αλληλεπιδρώντας με αυτά.

 

Ο Guth έδωσε το όνομα «ψεύτικο κενό» ή ψευδοκενό στην κατάσταση όπου τα πεδία Higgs είναι μεν μηδενικά – ενώ η πυκνότητα της ενέργειας των πεδίων Higgs είναι κολοσσιαία και σταθερή! – και αληθές ή απόλυτο κενό στην κατάσταση στην οποία η πυκνότητα ενέργειας των πεδίων Higgs έχει την ελάχιστη τιμή της και το ίδιο το πεδίο δεν είναι μηδενικό (αντίθετες δηλαδή καταστάσεις στα δύο είδη κενού). Στο αληθές κενό η συμμετρία είναι κατεστραμμένη και τα διανυσματικά μποζόνια έχουν αποκτήσει μάζα. Μάλιστα πρότεινε ότι η διαταραχή της GUT αντιστοιχεί σε μια μετάβαση από το ψεύτικο στο αληθινό κενό.

 

Η κολοσσιαία ενέργεια την εποχή του πληθωρισμού βρέθηκε, λοιπόν, μέσα στο ψευδοκενό, που χαρακτηρίζεται από ένα πεδίο απωστικής βαρύτητας. Ας σημειωθεί ότι ένα χαρακτηριστικό του ψευδοκενού είναι ότι δεν αραιώνει με την διαστολή – όπως για παράδειγμα ένα αέριο – αλλά η πυκνότητα της ενέργειας του παραμένει σταθερή καθώς ο Κόσμος αυξάνεται. Με αυτό τον τρόπο, λόγω της διαστολής η ενέργεια του αντί να μειώνεται, συνεχώς αυξανόταν, δημιουργώντας κολοσσιαίες ποσότητες ενέργειας.   

 

Όμως, από τις εξισώσεις προκύπτει ότι το σύμπαν ψύχθηκε ανάμεσα στο 10^-43 και 1O^-35 δευτερόλεπτο – μετά τη στιγμή της δημιουργίας – και τότε τα πεδία Higgs σταθεροποιούνται σε μια κατάσταση ελάχιστης ενέργειας.

 

Αλλά σε ποιά κατάσταση σταθεροποιήθηκε;

Ας υποθέσουμε ότι σταθεροποιούνται τελικά σε μια κατάσταση που αντιστοιχεί στο ψεύτικο κενό, το οποίο είναι απλώς ένα τοπικό ελάχιστο, σαν μια κοιλότητα που βρίσκεται μέσα στον κρατήρα ενός ηφαιστείου.

 

Σε μια τέτοια κατάσταση:
— η συμμετρία παραμένει αδιατάραχτη
— η ισχυρή κι η ηλεκτρασθενής δύναμη παραμένουν ενωμένες και η πυκνότητα της ενέργειας των πεδίων είναι κολοσσιαία: 10⁹⁵ έργια ανά κυβικό εκατοστό, δηλαδή 10⁵⁹ φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα του ατομικού πυρήνα.

 

Όπως τα σωματίδια άλφα σε ένα ραδιενεργό πυρήνα διαφεύγουν μέσα από μια κβαντική σήραγγα κάνοντας χρήση της Αρχής της Απροσδιοριστίας, έτσι και τα πεδία Higgs μπορούν να ξεφύγουν από την κατάσταση του ψεύτικου κενού μέσα από μια σήραγγα με τη βοήθεια της Αρχής της Απροσδιοριστίας, προς το αληθές κενό.

 

Ο Guth ανακάλυψε έκπληκτος ότι ενώ το πεδίο Higgs εγκλωβίζεται στο ψεύτικο κενό (ή στην υπέρψυχρη κατάσταση), η τεράστια πυκνότητα της ενέργειας του έχει σαν αποτέλεσμα μια κολοσσιαία συνεχής ώθηση του Σύμπαντος προς τα έξω, η οποία το εξαναγκάζει να διασταλεί με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα απ’ αυτή που προβλέπει το Αποδεκτό Μοντέλο.

Για ένα πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, η επίδραση είναι παρόμοια με την εισαγωγή στις εξισώσεις μιας κοσμολογικής σταθεράς, αλλά πολύ ισχυρότερης απ’ όσο είχε φανταστεί ο Αϊνστάιν. Το αποτέλεσμα είναι η εκθετική διαστολή του σύμπαντος.

 

Το σύμπαν δηλαδή διπλασιάζεται σε μέγεθος συνεχώς, κάθε 10^-34 του δευτερολέπτου που περνάει. Αλλά αν το Σύμπαν διπλασιάζεται κάθε 10^-34 του δευτερολέπτου, τότε 10^-33 του δευτερόλεπτα μετά τη στιγμή της δημιουργίας, ο δεδομένος όγκος έχει υποστεί διπλασιασμό 10 φορές και αυξάνεται σε μέγεθος με ένα συντελεστή της τάξης του 2¹⁰⁰. Σε ελάχιστο χρόνο μια περιοχή 10^-32 φορές μικρότερη από ένα πρωτόνιο (περίπου 10^-48 εκατοστά) μπορεί να διογκωθεί — απ’ αυτό προήλθε και η ονομασία του μοντέλου — και να γίνει μια περιοχή με διάμετρο 10 εκατοστά, αντίστοιχη δηλαδή με το χώρο που καταλαμβάνει ένα γκρέηπφρουτ. Ή για να καταλάβουμε το μέγεθος της διαστολής φαντασθείτε ένα μπιζέλι (με ακτίνα 1 εκατοστό) να καταλάβει τον χώρο του δικού μας Γαλαξία.

 

Αν δεν υπήρχε ο πληθωρισμός αντί για την αύξηση της ακτίνας του σύμπαντος κατά 10⁵⁰ φορές – μέσα σε 10^-32 του δευτερολέπτου – το σύμπαν θα είχε αυξηθεί μόνο κατά 30 φορές! 

Μία από τις πιο παράξενες ιδιότητες του πληθωρισμού είναι ότι έδρασε ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Το φως χρειάζεται 30 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για να διασχίσει ένα εκατοστό, ο πληθωρισμός όμως διαστέλλει το σύμπαν από μια διάμετρο πολύ-πολύ μικρότερη αυτής του πρωτονίου σε διάμετρο 10 cm σε χρόνο 15 Χ 10^-33 sec. Οι υπολογισμοί δείχνουν μια ταχύτητα διαστολής 100 φορές μεγαλύτερη από του φωτός. Κάτι τέτοιο επιτρέπεται από τη σχετικότητα γιατί δεν κινείται η ύλη, αλλά διαστέλλεται ο ίδιος ο χωροχρόνος.