Entropy production during reheating after inflation and General Relativistic Entropic Acceleration
यह शोधपत्र लैटिस सिमुलेशन का उपयोग करके कॉस्मोलॉजिकल प्रीहीटिंग के दौरान होने वाले अपरिवर्तनीय एंट्रॉपी उत्पादन को परिमाणित करता है और यह प्रदर्शित करता है कि जबकि यह एंट्रॉपी गतिशील अवस्थाओं (डायनामिकल रेजीम्स) के लिए एक सुदृढ़ नैदानिक उपकरण के रूप में कार्य करती है, जनरल रिलेटिविस्टिक एंट्रोपिक एक्सेलेरेशन के माध्यम से विस्तार दर में इसका फीडबैक केवल तभी पर्याप्त होता है जब सुसंगत ऊर्जा कुशलतापूर्वक विकिरण में विखंडित होती है, न कि केवल तब जब एंट्रॉपी प्रचुर मात्रा में उत्पन्न होती है।
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ब्रह्मांड की शुरुआत अकल्पनीय घनत्व और ऊष्मा की अवस्था में हुई थी, लेकिन आज हम जो गर्म, तारों से भरा ब्रह्मांड देखते हैं, वह बनने से पहले, इसे एक हिंसक और अराजक संक्रमण से गुजरना पड़ा था। यह काल, जिसे 'रीheating' (पुनः ऊष्मीकरण) के रूप में जाना जाता है, प्रारंभिक ब्रह्मांड के तीव्र, सुचारू विस्तार और उसके बाद के गर्म, कण-भरे युग के बीच का एक सेतु है। ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, शांत ड्रम के रूप में करें जिसे अभी-अभी बजाया गया है; उस प्रारंभिक प्रहार में संचित ऊर्जा को अनगिनत सूक्ष्म कणों के कंपन में स्थानांतरित होना चाहिए ताकि अंतरिक्ष को भरने वाले पदार्थ और विकिरण का निर्माण हो सके। दशकों से, भौतिकविदों ने यह समझा है कि इस स्थानांतरण में 'preheating' (पूर्व-ऊष्मीकरण) नामक एक प्रक्रिया शामिल है, जहाँ प्रारंभिक ब्रह्मांड के प्रमुख क्षेत्र (field) की ऊर्जा नए कणों के समुद्र में विस्फोट करती है। हालाँकि, जबकि वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इन कणों की ऊर्जा और गति को ट्रैक किया है, उन्होंने इस विस्फोट के दौरान उत्पन्न होने वाली अव्यवस्था, या 'entropy' (एन्ट्रॉपी), पर कम ध्यान दिया है। एन्ट्रॉपी इस बात का माप है कि ऊर्जा कितनी फैली हुई है; एक एकल, संगठित तरंग में कम एन्ट्रॉपी होती है, जबकि कई तरंगों के अराजक मिश्रण में उच्च एन्ट्रॉपी होती है। यह समझना कि ठीक कितनी अव्यवस्था पैदा होती है, और कितनी तेजी से, अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रक्रिया निर्धारित करती है कि अपने शुरुआती क्षणों में ब्रह्मांड कैसे फैलता है और ठंडा होता है।
एक शोधकर्ता ने अब इस छिपी हुई अव्यवस्था का सीधा अवलोकन करने के लिए प्रारंभिक ब्रह्मांड के विशाल कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए हैं। उन्होंने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि प्रारंभिक ऊर्जा को नए कणों में कैसे स्थानांतरित किया जा सकता है, इसके लिए तीन अलग-अलग परिदृश्यों का उपयोग किया, जिसमें एक शक्तिशाली सॉफ्टवेयर टूल का उपयोग किया गया जो विस्तार होते स्थान में क्षेत्रों (fields) के व्यवहार को मॉडल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पहले परिदृश्य में, ऊर्जा का स्थानांतरण एक विशिष्ट प्रकार के 'resonance' (अनुनाद) के माध्यम से होता है, जैसे कि एक बच्चा झूले पर सही समय पर धक्का मिलने पर और ऊपर जाता है। इस मामले में, शोधकर्ता ने पाया कि अव्यवस्था बढ़ी, लेकिन केवल मामूली रूप से। ऊर्जा मुख्य रूप से मूल क्षेत्र में ही रही, और केवल एक छोटा सा हिस्सा ही नए कणों में स्थानांतरित हुआ। प्रक्रिया के स्वयं को बंद करने से पहले अराजकता लगभग ढाई गुना बढ़ी। दूसरे परिदृश्य में, गतिशीलता कहीं अधिक हिंसक और गैर-रैखिक (nonlinear) थी। यहाँ, ऊर्जा बेतहाशा प्रवाहित हुई, जिससे एक अशांत स्नान (turbulent bath) बन गया जहाँ अव्यवस्था हजार गुना से भी अधिक बढ़ गई। इस मामले में, ऊर्जा मूल क्षेत्र और नए कणों के बीच लगभग समान रूप से विभाजित थी, जिससे एक अत्यधिक अराजक अवस्था बनी जो बहुत लंबे समय तक चली।
तीसरे परिदृश्य में एक अचानक अस्थिरता (instability) शामिल थी, जहाँ ब्रह्मांड का क्षेत्र एक अस्थिर शिखर से नीचे की ओर लुढ़का, जिससे कणों की संख्या में तीव्र, घातांकीय वृद्धि हुई। इस मामले में, शोधकर्ता ने अव्यवस्था की गणना विश्लेषणात्मक रूप से करने में सफलता प्राप्त की, जिसमें पाया कि यह एक स्थिर अवस्था में बसने तक एक स्थिर, रैखिक दर पर बढ़ी। इन तीन अलग-अलग व्यवहारों की तुलना करके, उन्होंने प्रदर्शित किया कि उत्पन्न होने वाली अव्यवस्था केवल एक संख्या नहीं है; यह एक 'फिंगरप्रिंट' की तरह कार्य करती है जो सटीक रूप से प्रकट करती है कि कौन सी भौतिक क्रिया काम कर रही थी। वे स्पष्ट रूप से एक प्रक्रिया को जो अनुनाद द्वारा संचालित थी, एक को जो विक्षोभ (turbulence) द्वारा संचालित थी, और एक को जो अचानक अस्थिरता द्वारा संचालित थी, के बीच अंतर कर सके, और यह सब केवल समय के साथ विकसित होने वाली अव्यवस्था को मापकर संभव हुआ।
केवल अव्यवस्था को मापने के अलावा, शोधकर्ता ने एक गहरा प्रश्न पूछा: क्या यह अराजकता का निर्माण वास्तव में ब्रह्मांड को तेजी से विस्तार करने के लिए प्रेरित करता है? उन्होंने एक सैद्धांतिक ढांचे को लागू किया जो सुझाव देता है कि अव्यवस्था का उत्पादन एक बल उत्पन्न कर सकता है जो अंतरिक्ष के विस्तार को तेज करता है। उनके सिमुलेशन ने एक आश्चर्यजनक सत्य प्रकट किया: त्वरण (acceleration) इस बात पर निर्भर नहीं करता कि अव्यवस्था कितनी है, बल्कि इस पर निर्भर करता है कि वास्तव में कितनी ऊर्जा कणों में स्थानांतरित हुई है। उन हिंसक, विक्षुब्ध परिदृश्यों में जहाँ मूल ऊर्जा का एक बड़ा हिस्सा नए कणों में डाला गया था, ब्रह्मांड ने त्वरित विस्तार के एक महत्वपूर्ण, संक्षिप्त विस्फोट का अनुभव किया। हालाँकि, अनुनाद वाले परिदृश्य में, भले ही अव्यवस्था पैदा हुई थी, लेकिन बहुत कम ऊर्जा स्थानांतरित हुई थी, और ब्रह्मांड ने कोई अतिरिक्त धक्का महसूस नहीं किया। इस निष्कर्ष ने स्पष्ट किया कि त्वरण का "दूसरा विस्फोट" ऊर्जा स्थानांतरण की गर्मी द्वारा संचालित होता है, न कि कणों की अराजकता द्वारा।
अध्ययन ने इस प्रारंभिक विस्फोट के बाद क्या होता है, यानी शेष ऊर्जा के धीमे, क्रमिक क्षय के दौरान क्या होता है, इसकी भी जांच की। जबकि यह बाद का चरण ब्रह्मांड की कुल अव्यवस्था का विशाल बहुमत उत्पन्न करता है, यह इतना धीरे और सुचारू रूप से होता है कि यह कोई ध्यान देने योग्य त्वरण उत्पन्न नहीं करता है। ब्रह्मांड बस मानक तरीके से फैलता और ठंडा होता है। शोधकर्ता ने निष्कर्ष निकाला कि 'preheating' का नाटकीय, विस्फोटक चरण ही एकमात्र समय है जब अव्यवस्था का निर्माण इतना तीव्र होता है कि वह क्षण भर के लिए ब्रह्मांड के विस्तार को बदल सके। उनका कार्य इस बात का एक स्पष्ट, भौतिक मानचित्र प्रदान करता है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड कैसे एक सुचारू, सुसंगत अवस्था से कणों के अराजक, गर्म सूप में परिवर्तित हुआ जिसने अंततः उन सितारों और आकाशगंगाओं का निर्माण किया जिन्हें हम आज देखते हैं, यह दिखाते हुए कि ब्रह्मांड के विस्तार की कहानी न केवल इसकी ऊर्जा में, बल्कि इसकी अव्यवस्था की प्रकृति में भी लिखी गई है।
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