آوریل 13, 2021

فایل دانشگاهی – پیشرفت های اخیر در مدل های تورمی۹۳- قسمت ۸

نظریه وحدت بزرگ یا GUT ، وجود ذره ای با بار مغناطیسی خالص و جرم بسیار زیاد در حدود جرم الکترون را پیش گویی می کند. یکی از شرایط به وجود آمدن چنین ذره ای حرارت بسیار بالا در حدود است که این شرایط در زمانهای اولیه عالم وجود داشته است. اما چنین ذره ای تا کنون مشاهده نشده است [۹] .
نظریه کلاسیک انفجار بزرگ با وجود موفقیت های زیاد از جمله پیش بینی و توجیه وجود تابش پس زمینه میکرو موج کیهانی و یا روند تشکیل عناصر سبک، با ابهاماتی مواجه است. نظریه تورم که در بخش بعد به آن خواهیم پرداخت می تواند توجیه مناسبی برای این ابهامات باشد.
فصل سوم
مدل تورمی “آلن گوث”، رهیافتی برای برون رفت
از مشکلات مدل استاندارد
۳-۱ مدل تورمی
وجود مشکلات و ابهاماتی که مدل استاندارد کیهان شناسی را درگیر کرده بود منجر به ارائه مدل تورمی شد.
اولین مدل را آلن گوث [۱۹]در سال ۱۹۸۰ ارائه داد [۱۰]. از آن زمان مدل های دیگری برای تورم پیشنهاد شده اند. از آنجا که مدل گوث اولین مدل به شمار می آید امروزه به مدل تورمی قدیم[۲۰] مشهور شده است.
ایده اصلی تمام نسخه های موجود برای سناریوی جهان تورمی این است که جهان در اولین مراحل تحول خود باید در یک وضعیت خلا ناپایدار به همراه چگالی انرژی بسیار بالا بوده باشد [۹]. از سوی دیگر رابطه فشار و چگالی به صورت است. این می تواند به این معنی باشد که بر اساس رابطه :
چگالی انرژی خلا در طول فرآیند گسترش عالـم تغییر نمی کـند. بـه عبارت دیگر یک “تهی” ، تهی باقی می ماند حتی اگر دارای وزن باشد. اما رابطه تاکید می کند که در یک زمان به اندازه کافی بزرگ جهان باید در یک حالت ناپایدار خلا به صورت نمایی گسترش پیدا کند.
در آن صورت داریم:
برای (جهان بسته مدل فریدمن)
برای (جهان تخت فریدمن )
برای (جهان باز مدل فریدمن)
در اینجا است. به طور کلی می توان گفت با وجود اینکه در طول گسترش عالم تغییر می کند، اما این تغییر بسیار آرام است، .
در یک زمان خاص تغییرات کوچکی در بزرگی به وجود می آید، بنابراین با یک مرحله بسط شبه نمایی روبرو هستیم و می توان نوشت:
تورم زمانی به پایان می رسد که سریعا شروع به کاهش می کند. آن گــاه انــرژی ذخیره شده در حالت شبه خلا ، به انرژی گرمایی تبدیل می شود و جهان بسیار داغ می شود. از این مرحله به بعد می توان تحول جهان را با مدل استاندارد توصیف کرد.
دوسیته[۲۱] در سال ۱۹۱۷ در مقاله ای جهان را توصیف کرد [۱۱]. این کار قبل از کار فریدمن و ارائه مدل جهان انبساطی بود. البته این مدل متفاوت با روابط بالا برای بود و تا زمان طولانی معنی فیزیکی آن تا حدی مبهم بنظر می رسید.
قبل از توسعه مدل تورمی، فضای دوسیته برای توسعه روش های نسبیت عام و همچنین میدان های کوانتومی در یک فضای خمیده بکار گرفته می شد.
احتمال اینکه عالم می تواند در مراحل اولیه گسترش خود به صورت نمایی بزرگ شود و با یک ماده بسیار متراکم که توسط معادله توصیف می شود پر شده باشد اولین بار توسط گلینر[۲۲] [۱۲] پیشنهاد شد.
البته در آن زمان این معادلات توجه زیادی را بر نیانگیختند. این مطالب در مورد مواد باریونی بسیار چگال که توسط معادله توصیف می شوند بیان می شود.
متعاقبا تشخیص داده شد که میدان تقریبا ثابت اسکالر که در نظریه وحدت ذرات بنیادی مشاهده شده است میتواند نقش حالت خلا با چگالی انرژی را ایفا کند. بزرگی در یک جهان در حال گسترش بستگی به دما و هم چنین به زمانی که تحول فاز را تغییر می دهد، دارد. و سرانجام انرژی ذخیره شده در میدان به انرژی گرمایی تغییر می کند.
اگر انتقال فاز از یک حالت خلا ناپایدار بسیار سرد انجام شود، آنتروپی کل جهان می تواند افزایش قابل توجهی پیدا کند و در حالت خاص جهان سرد می تواند جهان مدل فریدمن را داغ کند.
در سال ۱۹۸۰ مدل بسیار جالب تحول عالم توسط استرابونیسکی[۲۳] مطرح شد [۱۳]. این مدل بر اساس مشاهدات دوکر[۲۴] و کریچلی[۲۵] مطرح شد که بیان می دارد متریک دوسیته راه حلی برای معادلات اینشتین با اصلاحات کوانتومی است [۱۴]. استرابونیسکی به این امر اشاره کرد که این راه حل ناپایدار است و پس از محو حالت شبه خلا اولیه فضای دوسیته به مدل داغ فریدمن تغییر حالت می دهد [۱۵].
مدل استرابونیسکی قدم مهمی در پیشرفت نظریه جهان تورمی بود. با این وجود مزایای مهم مرحله تورمی هنوز در آن زمان تشخیص داده نشده بود. مهم ترین هدف در آن زمان حل مساله یکتایی اولیه عالم بود. این هدف در آن زمان محقق نشد و به صورت مبهم باقی ماند.در این مدل چگالی ناهمگنی که بعد از محو شدن فضای دوسیته ظاهر می شود،، بسیار بزرگ خواهد بود.
فرم اصلاح شده استرابونیسکی به عنوان یکی از فعال ترین مدل های توسعه یافته برای نظریه جهان تورمی محسوب می شود.
لزوم در نظر گرفتن مدلی برای جهان با مرحله ای که در آن انبساط به صورت شبه نمایی باشد، سرانجام بعد از کارهای آلن گوث مطرح شد. او پیشنهاد داد که برای رفع مشکلات سه گانه نظریه مهبانگ (مشکل تخت بودن، مشکل افق و مشکل تک قطبی مغناطیسی)، از گسترش نمایی عالم در یک حالت خلا بسیار سرد در استفاده شود.
سناریوی مطرح شده توسط گوث بر سه خاصیت بنیادی استوار است.

  1. جهان اولیه در یک حالت با دمای بسیار بالا قرار داشت و منجر به ترمیم تقارن شده است یعنی
  2. می توان اینطور در نظر گرفت که پتانسیل یک کمینه در دارد حتی در دمای بسیار پایین . به عنوان نتیجه جهان در یک حالت بسیار سرد ناپایدار در برای مدت به اندازه کافی طولانی باقی مانده است. با سقوط دما تانسور انرژی- تکانه به مرور با برابر می شود و جهان برای مدت به اندازه کافی طولانی به صورت نمایی منبسط (متورم) می شود.
  3. تورم تا پایان مرحله انتقال به حالت پایدار ادامه می یابد.این انتقال فاز توسط شکل گیری حباب هایی که حاوی میدان است تولید می شود.جهان از طریق برخورد دیواره حباب ها گرم می شود این تحول توسط نظریه جهان داغ توصیف می شود.

انبساط نمایی جهان که در مرحله ۲ توصیف شد، به این دلیل معرفی شده است که عبارت در معادله در مقایسه با ناچیز به شمار آید و حذف شود، به این منظور که جهان تخت و تخت تر شود.
این همان فرایندی است تا تضمین کند که قسمت قابل مشاهده جهان، حدود ، توسط تورم یک ناحیه بسیار کوچک از جهان که به صورت علیتی بهم متصل است به وجود آمده است.
در این سناریو تک قطبی ها در جایی که دیواره های حباب ناشی از انبساط نمایی بهم برخورد می کنند به وجود می آیند و بنابر این دارای چگالی پایین به صورت نمایی هستند.
ایده اصلی سناریوی گوث بسیار ساده و جذاب است. اما با این وجود برخورد دیواره های حباب های بسیار بزرگ منجر به از بین رفتن همگنی و همسانگردی در جهان پس از تورم می شود.
تلاش ها برای رفع این مشکل ناموفق بود تا زمانی که کیهان شناسان مفروضات سه گانه گوث را به نوعی رد کردند البته با حفظ این فرض که جهان در مراحل اولیه تحول خود به صورت نمایی گسترش پیدا کرده است.
در اینجا مروری بر سناریوی آلن گوث خواهیم داشت و خواهیم دید که چطور دو مشکل عمده مدل استاندارد یعنی تخت بودن و افق با استفاده از مفروضات گوث توجیه می شوند.
۳-۲ ساز و کار مدل تورمی گوث
همان طور که گفته شد مدل استاندارد انفجار بزرگ بر شرایط اولیه ای متکی است که تا حدی معما گونه به نظر می رسد [۱۰].

دانلود کامل پایان نامه در سایت pifo.ir موجود است.