ปัญหาขอบฟ้าและปัญหาความแบน: ปริศนาของบิกแบง

ปัญหาขอบฟ้า

รังสีไมโครเวฟพื้นหลังจากทุกทิศบนท้องฟ้ามีอุณหภูมิ 2.725 เคลวิน ต่างกันไม่เกินราวหนึ่งในแสนส่วน วัตถุสองชิ้นจะมีอุณหภูมิเท่ากันได้ก็ต่อเมื่อเคยแลกเปลี่ยนความร้อนกันจนสมดุล ซึ่งต้องใช้เวลาให้แสงหรือสิ่งใดเดินทางไปมาระหว่างกัน

ปัญหาคือ ตามแบบจำลองบิกแบงมาตรฐาน ในตอนที่รังสีพื้นหลังถูกปล่อยออกมา (ราว 380,000 ปีหลังบิกแบง) แสงเดินทางได้ระยะที่จำกัด บริเวณที่อยู่ภายในขอบฟ้าของกันและกันในตอนนั้น เมื่อมองจากโลกวันนี้มีขนาดเพียงราว 1 ถึง 2 องศาบนท้องฟ้า แปลว่าท้องฟ้าทั้งหมดแบ่งเป็นบริเวณที่ไม่เคยติดต่อกันได้หลายหมื่นบริเวณ แต่ทุกบริเวณกลับมีอุณหภูมิเท่ากันเกือบสมบูรณ์ ราวกับนักเรียนหลายหมื่นคนที่ไม่เคยคุยกันเลย แต่เขียนเรียงความออกมาเหมือนกันทุกตัวอักษร

ปัญหาความแบน

สมการฟรีดมันน์บอกว่าความโค้งของอวกาศขึ้นกับว่าความหนาแน่นของเอกภพต่างจากความหนาแน่นวิกฤตมากเพียงใด เขียนเป็น

ในเอกภพที่สสารหรือรังสีครอบงำ พจน์ทางขวาโตขึ้นตามเวลา ความเบี่ยงเบนเล็ก ๆ ในยุคแรกจึงขยายใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ ปัจจุบันวัดได้ว่าอัตราส่วนความหนาแน่นต่อค่าวิกฤต (\Omega) ต่างจาก 1 ไม่เกินราวหนึ่งในพัน ถ้าย้อนกลับไปถึงวินาทีแรกหลังบิกแบง ค่านี้ต้องเท่ากับ 1 ภายในราวหนึ่งในหนึ่งล้านล้านล้านส่วน (10⁻¹⁸) หรือละเอียดกว่านั้นอีกมากถ้าย้อนไปไกลกว่านั้น ถ้าเบี่ยงไปมากกว่านี้นิดเดียว เอกภพจะยุบตัวกลับภายในเวลาสั้น ๆ หรือขยายตัวเร็วจนดาราจักรไม่ทันเกิด ความพอดีระดับนี้ดูไม่เป็นธรรมชาติ

ปัญหาที่สาม: โมโนโพล

ทฤษฎีที่พยายามรวมแรงพื้นฐานหลายทฤษฎีทำนายว่าเอกภพยุคแรกควรสร้างขั้วแม่เหล็กเดี่ยว (โมโนโพล) ออกมาจำนวนมาก ซึ่งควรหนักจนครอบงำมวลของเอกภพ แต่ไม่เคยพบเลยแม้แต่ตัวเดียว

อินเฟลชันแก้ทั้งสามข้อ

ถ้าเอกภพยุคแรกพองตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลในเสี้ยววินาที

• บริเวณทั้งหมดที่เราเห็นเคยอยู่ชิดกันในบริเวณจิ๋วที่ปรับอุณหภูมิให้เท่ากันได้ก่อนพองตัว
• การพองตัวทำให้ aH เพิ่มขึ้นมหาศาล ยืดอวกาศออกมหาศาล ความโค้งจึงถูกยืดจนแบน เหมือนผิวโลกที่ดูแบนเพราะเราเห็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของมัน
• โมโนโพลที่เกิดก่อนอินเฟลชันถูกเจือจางจนแทบไม่เหลือในเอกภพที่สังเกตได้

นอกจากนี้อินเฟลชันยังทำนายรูปแบบของความผันผวนในรังสีพื้นหลังได้ตรงกับที่วัด ซึ่งเป็นเหตุผลที่นักจักรวาลวิทยาส่วนใหญ่ยอมรับมัน แม้จะยังไม่ได้รับการพิสูจน์อย่างสมบูรณ์ และมีนักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มเสนอทางเลือกอื่น เช่น แบบจำลองที่เอกภพเด้งกลับจากการยุบตัวก่อนหน้า