Classical Noise in Transient USR Inflation
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि स्टारोबिंस्की मॉडल में, एक क्षणिक अल्ट्रा-स्लो-रोल चरण वक्रता विचलनों (curvature perturbations) के लिए एक मोड-निर्भर क्वांटम-से-क्लासिकल संक्रमण को प्रेरित करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि स्टोकेस्टिक विवरण ग्रेडिएंट पदों के साथ क्वांटम पावर स्पेक्ट्रम को पुनरुत्पादित कर सकता है, कोर्स-ग्रैनिंग (coarse-graining) के लिए आवश्यक मिलान समय अक्सर वास्तविक क्लासिकलाइजेशन समय से पहले होता है, जिससे इस चरण के दौरान एक सार्वभौमिक क्लासिकल स्टोकेस्टिक विवरण की वैधता को चुनौती मिलती है।
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ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में, बिग बैंग के एक सेकंड के एक अंश के बाद, अंतरिक्ष स्वयं एक हिंसक, घातांकीय विस्तार के दौर से गुजरा जिसे कॉस्मिक इन्फ्लेशन (cosmic inflation) के रूप में जाना जाता है। इस तीव्र खिंचाव ने सूक्ष्म क्वांटम उतार-चढ़ाव को—जो खाली स्थान की ऊर्जा में होने वाली नन्ही, यादृच्छिक थरथराहट थी—आकाशगंगाओं और आकाशगंगा समूहों के आकार तक बढ़ा दिया। ये खिंचे हुए तरंग रूप आज हम जो भी संरचना देखते हैं, जैसे कि विशाल कॉस्मिक वेब से लेकर हमारे अपने आकाश के तारों तक, उनके बीज बने। दशकों से, भौतिकविद् इस प्रक्रिया का वर्णन करने के लिए एक विशिष्ट गणितीय ढांचे पर भरोसा करते आए हैं, जिसमें वे इन उतार-चढ़ाव को तब तक शास्त्रीय तरंगों (classical waves) के रूप में मानते हैं जैसे कि ध्वनि या जल की तरंगें, जब वे पर्याप्त बड़ी हो जाती हैं। यह धारणा, कि क्वांटम दुनिया सुचारू रूप से एक शास्त्रीय दुनिया में परिवर्तित हो जाती है, आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान का आधार है। हालाँकि, यह संक्रमण तात्कालिक नहीं है; इसके लिए क्वांटम अवस्था का "स्क्वीज़्ड" (squeezed) होना आवश्यक है, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ एक गुण में अनिश्चितता बढ़ती है जबकि दूसरा घटता है, जिससे अंततः प्रणाली एक धुंधली क्वांटम वस्तु के बजाय एक पूर्वानुमानित, शास्त्रीय वस्तु की तरह व्यवहार करने लगती है।
नेशनल डोंग हुआ यूनिवर्सिटी, ताइवान के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन एक विशिष्ट परिदृश्य की जांच करता है जहाँ यह संक्रमण अपेक्षित रूप से भिन्न व्यवहार कर सकता है। उन्होंने मुद्रास्फीति (inflation) के एक मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें 'अल्ट्रा-स्लो-रोल' (ultra-slow-roll) नामक एक संक्षिप्त, तीव्र चरण शामिल है। मानक इन्फ्लेशन में, ब्रह्मांड एक स्थिर, धीमी गति से फैलता है। इस अल्ट्रा-स्लो-रोल चरण में, विस्तार दर अचानक बदल जाती है, जिससे कुछ उतार-चढ़ावों के विकास में एक अस्थायी उछाल आता है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट गणितीय मॉडल का उपयोग किया, जिसे स्टारोबिंस्की मॉडल (Starobinsky model) के रूप में जाना जाता है, जिसमें मुद्रास्फीति को संचालित करने वाले ऊर्जा क्षेत्र के ढलान में अचानक परिवर्तन होता है। इस अचानक आए बदलाव के माध्यम से क्वांटम उतार-चढ़ाव कैसे विकसित हुए, इसका पता लगाकर, उन्होंने खोजा कि किसी उतार-चढ़ाव का "शास्त्रीय" बनना पूरी तरह से उसके आकार पर निर्भर करता है। कुछ उतार-चढ़ाव जल्दी शास्त्रीय हो जाते हैं, जबकि अन्य, विशेष रूप से वे जो ऊर्जा स्पेक्ट्रम में एक गिरावट (dip) के अनुरूप हैं, शांत होने में उल्लेखनीय रूप से लंबा समय लेते हैं।
टीम ने पाया कि इस क्षणिक अल्ट्रा-स्लो-रोल चरण के दौरान, उतार-चढ़ाव का एक घटक जो आमतौर पर लुप्त हो जाता है, वास्तव में अस्थायी रूप से बढ़ता है। यह वृद्धि सामान्य 'स्क्वीजिंग' के पैटर्न को बाधित करती है, जिससे उस क्षण में देरी होती है जब उतार-चढ़ाव को एक शास्त्रीय तरंग के रूप में माना जा सकता है। उस विशिष्ट उतार-चढ़ाव के मोड के लिए जो पावर स्पेक्ट्रम में गिरावट पैदा करता है—जो इस मॉडल की एक पहचान है—उसे क्षितिज (horizon) छोड़ने के बाद ब्रह्मांडीय विस्तार के लगभग बाईस और आधे चक्रों के बाद अंततः प्रभावी रूप से शास्त्रीय बनना शुरू होता है। यह मानक स्लो-रोल परिदृश्य की तुलना में एक महत्वपूर्ण देरी है, जहाँ उतार-चढ़ाव केवल दो से अधिक चक्रों में शास्त्रीय हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन विशिष्ट मोडों के लिए, क्वांटम प्रकृति पहले के अनुमानों की तुलना में बहुत अधिक समय तक बनी रहती है।
इस निष्कर्ष के महत्वपूर्ण परिणाम हैं कि कैसे ब्रह्मांड विज्ञानी "स्टोकेस्टिक इन्फ्लेशन" (stochastic inflation) का उपयोग करते हैं, जो इन लंबी-तरंग दैर्ध्य वाले उतार-चढ़ाव को गणनाओं को सरल बनाने के लिए यादृच्छिक शोर (random noise) के रूप में मानता है। अध्ययन से पता चलता है कि जबकि यह विधि ब्रह्मांड के सही समग्र ऊर्जा स्पेक्ट्रम को पुनरुत्पादित कर सकती है, शोर को शास्त्रीय मानने की वैधता का समय जितना सोचा गया था उससे कहीं अधिक जटिल है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यदि गणित को आसान बनाने के लिए क्षेत्र के स्थानिक विविधताओं (spatial variations) को अनदेखा किया जाता है, तो परिणाम शोर को अलग करने के लिए उपयोग किए जाने वाले एक मनमाने कट-ऑफ पैरामीटर पर अत्यधिक निर्भर करते हैं। उन्होंने दिखाया कि सरलीकृत गणित को पूर्ण क्वांटम वास्तविकता के साथ मिलाने की एक मानक तकनीक गणितीय रूप से तो काम करती है, लेकिन यह गणना को उतार-चढ़ाव को वास्तव में शास्त्रीय होने से पहले ही शास्त्रीय मानने के लिए मजबूर करती है।
अनिवार्य रूप से, यह अध्ययन प्रकट करता है कि ब्रह्मांड एक साथ क्वांटम से शास्त्रीय व्यवहार में नहीं बदलता है। इसके बजाय, यह एक क्रमिक प्रक्रिया है, जिसमें विभिन्न आकार के उतार-चढ़ाव अलग-अलग समय पर बदलते हैं, जो इस बात पर निर्भर करता है कि उन्होंने मुद्रास्फीति के परिदृश्य में कब अचानक परिवर्तन का सामना किया था। हालांकि अंतिम ऊर्जा स्पेक्ट्रम में अंतर बहुत कम—एक दसवें प्रतिशत से भी कम—है, लेकिन संक्रमण का समय ब्रह्मांड के गहरे सांख्यिकीय गुणों को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि उन मॉडलों के लिए जो आदिम ब्लैक होल (primordial black holes) उत्पन्न करते हैं, जो इन दुर्लभ, बड़े उतार-चढ़ाव पर निर्भर करते हैं, हमें यह मानने में सावधान रहना चाहिए कि उतार-चढ़ाव बहुत जल्दी शास्त्रीय हो गए हैं। इन विशिष्ट लहरों की क्वांटम प्रकृति मानक अनुमानों की तुलना में बहुत लंबे समय तक बनी रहती है, जिसका अर्थ है कि शास्त्रीय शोर का विवरण केवल एक विशिष्ट, मोड-निर्भर प्रतीक्षा अवधि के बाद ही मान्य होता है।
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