למרות ההצלחה הגדולה שלו, מודל המפץ הגדול אינו מסביר כמה תכונות חשובות של היקום. המדענים משפרים תיאוריה כשהם מעמתים אותה עם נתונים חדשים, בודקים אותה ומותחים את גבולותיה. ייתכן שהתשובה לחידות האלה טמונה במה שקרה בשבריר הזעיר הראשון של השנייה אחרי המפץ הגדול.
למה הגאומטריה של היקום כמעט שטוחה? הראיות מראות שפרמטר הצפיפות של החומר, Ω0, נמצא בטווח 0.2 עד 0.3. התצפיות אינן ודאיות מספיק כדי לפסול יקום שטוח (Ω0 = 1), בייחוד אם מוסיפים רכיב של אנרגיית ריק. גם התצפיות בקרינת הרקע במיקרוגל אינן מגלות עקמומיות מרחבית. במילים אחרות, היקום שטוח בדיוק של אחוזים בודדים. כדי לראות למה זה מדהים, נחזור לאנלוגיה של שיגור הרקטה. יקום שטוח מקביל לרקטה ששוגרה במהירות של 11 ק"מ בשנייה בדיוק: היא עוזבת את כדור הארץ, אבל מאטה בהדרגה ועוצרת לבסוף בחלל העמוק. תנו לרקטה מהירות התחלתית גדולה פי שניים או שלושה, והיא תעזוב את כדור הארץ בקלות ותדהר בחלל. תנו לה מהירות התחלתית קטנה פי שניים או שלושה, והיא תיפול מהר בחזרה. במילים אחרות, גם שינוי קטן במהירות ההתחלתית לעומת המספר המיוחד, 11 ק"מ בשנייה, נותן תוצאה שונה מאוד.
עכשיו נהפוך את הטיעון. נניח שמצאנו את הרקטה זמן רב אחרי שעזבה את כדור הארץ, כשהיא זוחלת בקצב שהולך ומאט. אפשר להסיק שמהירות השיגור שלה הייתה 11 ק"מ בשנייה בדיוק. למה? כי במהירות שיגור ששונה אפילו מעט מ-11 ק"מ בשנייה, הרקטה הייתה במקום אחר לגמרי – רחוק הרבה יותר בחלל, או שהייתה נופלת חזרה לכדור הארץ מזמן. ובחזרה לקוסמולוגיה: אנחנו חיים ביקום זקן וגדול מאוד, שבו פרמטר הצפיפות קרוב לאחד. אם פרמטר הצפיפות קרוב לאחד היום, הוא היה חייב להיות אחד בדיוק ביקום המוקדם מאוד. החישובים מראים שהיקום היה חייב להתחיל בפרמטר צפיפות של אחד בדיוק של חלק אחד ב-1059! במונחים של התפשטות המרחב: מרחב שכמעט שטוח היום מחייב מרחב שהיה שטוח בדיוק ביקום המוקדם. צריך להסביר את שטיחות המרחב – היא אינה חיזוי של מודל המפץ הגדול הרגיל.
למה היקום אחיד כל כך? היום, כמובן, היקום גושי – יש בו פלנטות, כוכבים וגלקסיות. אבל מהאחידות של קרינת הרקע הקוסמית אנחנו יודעים שהיקום היה חלק מאוד 380,000 שנה אחרי המפץ הגדול: הטמפרטורה זהה בכל המרחב בדיוק של 0.007%. אם חושבים על היקום כעל גז חם, הגז היה חייב להיות מעורבב היטב. הדרך היחידה שבה גז יכול להיות בשיווי משקל תרמי מושלם – כל חלקיו באותה טמפרטורה בדיוק – היא שחום יוכל לעבור מחלק אחד של הגז לחלק אחר.
זמן קצר אחרי המפץ הגדול התפשט המרחב מהר להפליא. בזמן שבו נפלטה קרינת הרקע שאנחנו רואים, אזורים במרחב התרחקו זה מזה במהירות של 61c, יותר משישים פעם ממהירות האור, ובזמן מוקדם יותר – מהר עוד הרבה יותר. אזורים במרחב שהיו קרובים זה לזה בזמן המפץ הגדול נפרדו אחרי 380,000 שנה למרחק גדול פי כמה מהמרחק שהאור הספיק לעבור ביניהם. האופקים של שני אזורים כאלה אינם חופפים, כלומר שום אות אינו יכול לעבור ביניהם. שום אור או קרינה לא יכלו לעבור בין אזורים שנמצאים זה מחוץ לאופק של זה, ולכן לא הייתה להם דרך להשוות את הטמפרטורות שלהם. ובכל זאת, בכיוונים רחוקים זה מזה בשמים, הטמפרטורה של קרינת הרקע זהה כמעט לחלוטין. מודל המפץ הגדול הרגיל אינו מסביר את האחידות הזאת.
ב-1981, כשהרהר באחידות ובשטיחות הלא מוסברות של היקום, העלה הפיזיקאי אלן גות' מ-MIT את רעיון היקום האינפלציוני. בתיקון הזה למודל המפץ הגדול הוא הציע שהיקום בראשיתו עבר תקופה של התפשטות מהירה ביותר (מעריכית). בעידן האינפלציה – פרק הזמן הזעיר להפליא בין 10−35 ל-10−33 שנייה אחרי המפץ הגדול – גדל היקום פי 1026 לפחות (ולפי חלק מהמודלים הרבה יותר). האינפלציה העבירה חומר שהיה בתחילה קרוב אלינו (במרחק מטרים ספורים) למקום שנמצא הרחק מחוץ ליקום הנצפה של היום (הרבה יותר מ-46 מיליארד שנות אור). המודל האינפלציוני מציג לנו קוסמוס שנמתח הרבה מעבר לאופק שלנו. לכן היקום הנצפה הוא כנראה חלק זעיר מגודלו של היקום הפיזיקלי. יהיה כוחם של הטלסקופים הגדולים ביותר אשר יהיה, נגזר עלינו להסתפק בפינה צנועה של קוסמוס עצום. האינפלציה היא רעיון נועז.
האינפלציה הגדילה את היקום בפתאומיות ובאופן דרמטי. במונחים של דיאגרמת מרחב-זמן, אזורים במרחב שהאופקים שלהם רחוקים זה מזה היום היו בתוך אותו אופק בסוף האינפלציה. במילים אחרות, אזורים במרחב שאין ביניהם קשר היום היו במגע הדוק ביקום המוקדם מאוד, ולכן אין זו תעלומה שיש להם אותה טמפרטורה. כל עקמומיות שהייתה אולי ליקום לפני עידן האינפלציה נמתחה בגלל ההתפשטות האדירה. דמיינו בלון זעיר שמנופח במהירות לגודל גדול פי כמה וכמה מגודלו המקורי: כל קטע שנבחר לחקור יהיה שטוח כמעט לגמרי. השטיחות של היקום כבר אינה צירוף מקרים; היא תוצאה בלתי נמנעת של האינפלציה.
האינפלציה נשמעת בלתי מתקבלת על הדעת. כדי שהרעיון הזה יהיה יותר מספקולציה אזוטרית, צריך להיות לאינפלציה בסיס פיזיקלי, ומודל המפץ הגדול האינפלציוני חייב לחזות תחזיות שאפשר לבדוק בתצפיות. האינפלציה חוזה שהמרחב יהיה קרוב מאוד לשטוח – במונחים של הפרמטרים הקוסמולוגיים, Ω0 = 1. המחקר הנוכחי מתיישב עם זה, כשמחברים את התרומות של החומר הרגיל, החומר האפל והאנרגיה האפלה. האינפלציה גם מחליקה את היקום ביעילות רבה, בהתאם לאחידות שנמדדה בקרינת המיקרוגל מהמפץ הגדול. המודל האינפלציוני חוזה שהאדוות שנותרו, שהן הזרעים שמהם צמחו הגלקסיות, מקורן בשברירי השנייה הזעירים הראשונים אחרי המפץ הגדול. לפי השערה אחת, ההתנעה של האינפלציה הייתה שינוי מצב שהתרחש כששלושה מארבעת כוחות היסוד נפרדו זה מזה בעוצמתם. עידן האינפלציה מוקדם כל כך, שהזרעים להיווצרות הגלקסיות הם תנודות קוונטיות שההתפשטות המעריכית הגדילה מאוד.
מה יהיה "האקדח המעשן" שיוכיח שהאינפלציה אכן התרחשה? התשובה עשויה להימצא במדידות מדויקות במיוחד של קרינת הרקע במיקרוגל. האינפלציה חוזה שגלי כבידה מהתקופה ההיא הטביעו בשינויי הטמפרטורה הזעירים דפוס מסוים של קיטוב (polarization). ניסויים כמו BICEP/Keck מחפשים את הדפוס הזה; עד היום הוא לא נמצא, והמדידות מגבילות את עוצמתו. הדור הבא של ניסויים מדויקים בקרינת הרקע אולי יגלה אותו. אם נצליח להרחיק את ההבנה שלנו את היקום עד שבריר זעיר של שנייה אחרי המפץ הגדול, זה יהיה הישג יוצא דופן.
→ הסעיף הקודם: 17.22 חלקיקים וקרינה | הסעיף הבא: 17.24 מסה ואנרגיה ביקום המוקדם ←