อินเฟลชัน: เอกภพพองตัวในเสี้ยววินาทีแรก

แบบจำลองบิกแบงอธิบายการขยายตัวของเอกภพ ธาตุเบา และรังสีไมโครเวฟพื้นหลังได้ดีมาก แต่มีคำถามบางข้อที่มันตอบไม่ได้ ในปี ค.ศ. 1980 อลัน กุท เสนอแนวคิดที่ตอบคำถามเหล่านั้นได้พร้อมกัน ต่อมา อันเดรย์ ลินเด และคนอื่น ๆ พัฒนาต่อจนกลายเป็นทฤษฎีอินเฟลชัน

ปัญหาที่อินเฟลชันแก้

• ปัญหาขอบฟ้า รังสีไมโครเวฟพื้นหลังจากสองฝั่งตรงข้ามของท้องฟ้ามีอุณหภูมิเท่ากันถึงหนึ่งในแสนส่วน แต่ตามบิกแบงแบบเดิม สองบริเวณนี้อยู่ห่างกันเกินกว่าแสงจะเดินทางถึงกันได้ตั้งแต่เริ่มต้นเอกภพ แล้วมันรู้ได้อย่างไรว่าต้องมีอุณหภูมิเท่ากัน
• ปัญหาความแบน ความหนาแน่นของเอกภพในปัจจุบันใกล้เคียงค่าวิกฤตมาก ซึ่งทำให้อวกาศเกือบแบน ความเบี่ยงเบนจากค่าวิกฤตจะโตขึ้นตามเวลา ถ้าวันนี้ยังแบนอยู่ ตอนเริ่มต้นต้องแบนพอดีถึงทศนิยมหลายสิบตำแหน่ง ซึ่งดูบังเอิญเกินไป
• ต้นกำเนิดของโครงสร้าง ความไม่สม่ำเสมอเล็ก ๆ ที่เติบโตเป็นดาราจักรมาจากไหน

ความคิดหลัก

อินเฟลชันเสนอว่าในช่วงราว 10⁻³⁶ ถึง 10⁻³² วินาทีหลังเริ่มต้น เอกภพถูกครอบงำด้วยพลังงานของสนามชนิดหนึ่ง ซึ่งทำตัวเหมือนพลังงานของสุญญากาศ ทำให้อวกาศขยายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียล คือขนาดเพิ่มเป็นสองเท่าซ้ำแล้วซ้ำอีกในช่วงเวลาที่เท่า ๆ กัน

ขนาดของเอกภพเพิ่มขึ้นอย่างน้อยราว 10²⁶ เท่า (e^{60})ในช่วงเวลาสั้นมาก บริเวณที่เล็กกว่าโปรตอนพองตัวจนใหญ่กว่าเอกภพที่สังเกตได้ทั้งหมดในปัจจุบัน

ทำไมแก้ปัญหาได้

• ทุกส่วนของเอกภพที่สังเกตได้เคยอยู่ชิดกันในบริเวณเล็ก ๆ ก่อนอินเฟลชัน จึงมีเวลาปรับอุณหภูมิให้เท่ากันได้ ปัญหาขอบฟ้าจึงหายไป
• การพองตัวมหาศาลทำให้ความโค้งใด ๆ ที่มีอยู่ถูกยืดจนแบนราบ เหมือนผิวลูกโป่งที่ถูกเป่าให้ใหญ่เท่าโลก ส่วนเล็ก ๆ ที่เรามองเห็นจึงดูแบน
• ความผันผวนเชิงควอนตัมขนาดจิ๋วถูกยืดจนมีขนาดใหญ่ระดับจักรวาล กลายเป็นบริเวณที่หนาแน่นกว่าเฉลี่ยเล็กน้อย ซึ่งแรงโน้มถ่วงค่อย ๆ ดึงสสารเข้ามาจนเป็นดาราจักรและกระจุกดาราจักร

หลักฐาน

อินเฟลชันทำนายว่าความผันผวนในรังสีไมโครเวฟพื้นหลังควรมีลักษณะเฉพาะ คือมีขนาดเกือบเท่ากันในทุกสเกล (แต่ไม่เท่ากันพอดี) กระจายแบบสุ่มตามการแจกแจงแบบเกาส์ และอวกาศควรแบน ดาวเทียม WMAP และ Planck วัดได้ตรงกับคำทำนายเหล่านี้ทั้งหมด ดัชนีสเปกตรัมที่วัดได้คือราว 0.965 ซึ่งต่ำกว่า 1 เล็กน้อยตามที่อินเฟลชันแบบง่ายที่สุดทำนาย

สิ่งที่ยังไม่รู้

อินเฟลชันยังไม่ได้รับการพิสูจน์อย่างสมบูรณ์ ยังไม่รู้ว่าสนามที่ขับเคลื่อนมัน (เรียกกันว่าอินฟลาตอน) คืออะไร หลักฐานที่นักวิทยาศาสตร์ตามหาคือรูปแบบโพลาไรเซชันที่เรียกว่า B-mode ในรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง ซึ่งจะเกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงในยุคอินเฟลชัน ในปี ค.ศ. 2014 การทดลอง BICEP2 ประกาศว่าพบสัญญาณนี้ แต่ภายหลังพบว่าเป็นผลจากฝุ่นในทางช้างเผือก การค้นหายังดำเนินต่อไป บางแบบจำลองยังทำนายว่าอินเฟลชันไม่หยุดพร้อมกันทุกที่ เรียกว่าอินเฟลชันนิรันดร์ ซึ่งนำไปสู่แนวคิดพหุภพ