Кратко и по сути — аргументы за инфляцию, ключевые предсказания, как их проверяют данные, и какие альтернативы сопоставимы.
Аргументы в пользу инфляции
- Решение классических проблем: горизонтной, плоскостности и монополей за счёт ускоренной экспоненциальной фазы; в простейшем случае масштабный фактор ведёт себя как $a(t)\propto e^{Ht}$.
- Механизм рождения структур: квантовые флуктуации поля-инфлатона прирастали до классических сверхгоризонтных возмущений, дающих адiabатические, почти гауссовы и почти скейл-инвариантные возмущения.
- Теоретическая гибкость: множество реализаций (малые/большие поля, многофилевые), которые легко подстроить под наблюдения.
Ключевые предсказания инфляции (и статус наблюдений)
- Скалярный спектр: $P_s(k)=A_s{\left(\frac{k}{k_{\ast }}\right)}^{n_s-1}$ с $n_s\approx 1$ (слегка меньше). Наблюдения: $n_s\approx 0.965$ (Planck), то есть отклонение от точной скейл-инвариантности подтверждёно.
- Тензорные моды (первичные гравитационные волны): амплитуда задаётся отношением $r\equiv P_t/P_s$. Для одно-полевой slow-roll инфляции есть соотношение (consistency): $r=-8n_t$. Наблюдения: пока лишь верхний предел, примерно $r_{0.05}\lesssim 0.03$–$0.04$ (BICEP/Keck+Planck), тензоры не обнаружены — это исключает некоторые высокомасштабные модели, но допускает большинство маломасштабных и многофилевых вариантов.
- Гауссовость и характер локальной несмешанности: малые невырождения локального типа $f_{\mathrm{NL}}$. Планк: $f_{\mathrm{NL}}^{\mathrm{local}}$ совместим с нулём на уровне $|f_{\mathrm{NL}}|\lesssim \text{a few}$.
- Адiabатичность и отсутствие/малая доля изокривых компонент: данные сильно ограничивают изокурватуру.
- Плоскость пространства: ${\Omega }_k\approx 0$ в пределах $|{\Omega }_k|\lesssim 10^{-3}$.
Какие наблюдения поддерживают/опровергают инфляцию
- Поддерживают: наблюдаемый $n_s<1$, адiabатические и почти гауссовы флуктуации, близкая к нулю кривизна — всё согласуется с инфляцией.
- Неопределённость/ограничения: отсутствие обнаруженных B-модов (малый $r$) исключает часть моделей с высокими энергиями; но многие варианты инфляции остаются совместимы. Отсутствие значительной несмещённости и изокурватуры также поддерживает простые одно-полевые сценарии.
Альтернативные сценарии и их предсказания
- Экипиротическая/циклическая вселенная (ekpyrotic/cyclic): фаза медленного сжатия с большой жёсткостью уравнения состояния, затем «отскок» (bounce). Частые предсказания: подавленные или голубые тензорные моды (малая амплитуда на CMB-масштабах), возможная крупная негауссовость в некоторых реализациях; получение скейл-инвариантного скаляра требует специальных механизмов (перевод изо→адиабатических флуктуаций). Проблемы: реализация надёжного и контролируемого bounce без патологий (нестабильности, нарушение NEC) — технически сложно.
- Matter-bounce сценарии: в сжимающей фазе с уравнением состояния как для материи получается примерно скейл-инвариантный спектр; часто приводят к специфическим формам негaуссовости и к спектру тензоров, отличному от инфляционного.
- Струновые/гравитационные альтернативы (string gas, emergent, varying-c models): могут давать некоторые инфляционные предсказания (скейл-инвариантность) но обычно имеют отличительные сигнатуры — спектральные особенности, изокурватуру, специфическую негaуссовость.
- Общая черта альтернатив: они чаще предсказывают либо крайне малые тензоры на CMB-масштабах, либо отличные от инфляции формы негaуссовости и/или признаки изокурватуры и особые спектральные фичи.
Какие наблюдательные тесты наиболее критичны (решающие)
- Поиск первичных B-модов (измерение $r$ до уровня $\sim 10^{-3}$–$10^{-2}$): обнаружение $r\gtrsim 10^{-2}$ подтвердит высокомасштабную инфляцию и сильно усложнит или исключит многие экпиротические/брауновские bounce-модели, которые предсказывают крайне малые тензоры.
- Измерение тензорного наклона $n_t$ и проверка consistency relation для одно-полевой slow-roll ($r=-8n_t$): позволит отделить одно-полевую инфляцию от других вариантов.
- Точные ограничения на негaуссовость (особенно локального типа) до порядка $|f_{\mathrm{NL}}|\lesssim 1$: обнаружение ненулевого $f_{\mathrm{NL}}^{\mathrm{local}}$ разрушит простые одно-полевые инфляционные модели и поддержит многофилевые или bounce-сценарии.
- Поиск изокурватуры и малых отклонений от адiabатичности: обнаружение значимой изокурватуры укажет на нестандартную раннюю динамику.
- Измерение кривизны с точностью $|{\Omega }_k|\lesssim 10^{-4}$: обнаружение ненулевой кривизны требовало бы пересмотра количества эфторов инфляции или самой схемы.
- Мелкомасштабные наблюдения (21‑cm, LSS, спектральные искажения CMB): тесты на особенности спектра, малые масштабы и сидерации, чувствительные к разным генераторам возмущений.
Как текущие данные оценивают альтернативы
- Много альтернативных сценариев остаются совместимыми с нынешними неположениями, потому что главное «сильное» подтверждение инфляции — почти скейл-инвариантный, адiabатический и гауссов спектр — можно повторить в ряде альтернатив при дополнительной настройке.
- Однако строгие ограничения на негaуссовость и на изокурватуру уже исключили многие простые реализации ekpyrotic и bounce-моделей, которые предсказывали большие $f_{\mathrm{NL}}$ или значимую изокурватуру.
- Отсутствие обнаруженных B‑модов пока не даёт однозначного преимущества ни одной стороне: оно сужает пространство высокомасштабной инфляции, но одновременно согласуется с альтернативами, предсказывающими малые тензоры.
Вывод (кратко)
- Инфляция остаётся наиболее простым и эмпирически успешным объяснением наблюдаемой структуры и свойств CMB/LSS, но не является единственным возможным сценарием.
- Решающие дальнейшие наблюдения: детекция первичных B‑модов и точные измерения негaуссовости/изокурватуры/кривизны. Эти результаты или укрепят статус инфляции (особенно высокомасштабной одно-полевой), или предоставят серьёзные аргументы в пользу альтернатив (циклических/bounce/других сценариев).