Multi-Stage and Multi-Field Inflation in Random Inflationary Landscapes
गौसियन रैंडम पोटेंशियल का उपयोग करके इन्फ्लेशनरी लैंडस्केप्स को मॉडल करते हुए, यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि मल्टी-स्टेज इन्फ्लेशनरी प्रक्षेपवक्र—जो स्लो रोल से क्षणिक प्रस्थानों द्वारा विभाजित कई छोटे इन्फ्लेशन कालियों द्वारा पहचाने जाते हैं—एक महत्वपूर्ण और तेजी से बढ़ती हुई घटना है जैसे-जैसे फील्ड-स्पेस की विमा (dimensionality) बढ़ती है, जो इस मानक धारणा को चुनौती देता है कि सिंगल-स्टेज इन्फ्लेशन ही प्रमुख परिणाम है।
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हमारे ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में, शुरुआत के एक सेकंड के कुछ ही अंश बाद, अंतरिक्ष ने 'कॉस्मिक इन्फ्लेशन' (ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति) नामक एक उन्मत्त, घातांकीय विस्तार का दौर देखा। यह संक्षिप्त विस्फोट ही इस बात का प्रमुख स्पष्टीकरण है कि आज ब्रह्मांड ऐसा क्यों दिखता है: विशाल, एकसमान, और आकाशगंगाओं के बीजों से भरा हुआ। दशकों तक, मानक कहानी एक सरल सी रही है। भौतिकविदों ने ऊर्जा के एक एकल क्षेत्र की कल्पना की थी, जैसे कि एक बहुत ही कोमल, चिकनी पहाड़ी से नीचे लुढ़कती हुई एक गेंद। जैसे-जैसे वह धीरे-धीरे लुढ़की, उसने ब्रह्मांड को दूर धकेला। इस "धीमी गति" (स्लो रोल) को कई ब्रह्मांडीय पहेलियों को सुलझाने के लिए पर्याप्त समय तक जारी रखना था, जिसके लिए गेंद को बहुत अधिक तेज़ हुए बिना या किनारे से गिरे बिना एक विशिष्ट दूरी तय करने की आवश्यकता थी।
हालाँकि, यह सरल चित्र एक गहरी समस्या का सामना करता है। गुरुत्वाकर्षण को क्वांटम यांत्रिकी के साथ जोड़ने वाले जटिल सिद्धांतों में, ऐसे पूर्णतः चिकने, कोमल पहाड़ अत्यंत दुर्लभ हैं। ऊर्जा के अधिकांश परिदृश्य ऊबड़-खाबकड़ और ढालू होते हैं, जो एक लुढ़कते हुए मैदान के बजाय एक पर्वत श्रृंखला की तरह होते हैं। यदि ब्रह्मांड एक खड़ी ढलान पर शुरू होता, तो विस्तार लगभग तुरंत समाप्त हो जाता, जिससे एक ऐसा ब्रह्मांड बचता जो जीवन के अनुकूल होने के लिए बहुत छोटा और असमान होता। यह एक दुविधा पैदा करता है: या तो ब्रह्मांड बहुत भाग्यशाली था कि उसे एक दुर्लभ, सपाट स्थान मिल गया, या हमारी इन्फ्लेशन (मुद्रास्फीति) कैसे काम करती है, इसकी समझ अधूरी है। शायद ब्रह्मांड ने केवल एक लंबे, चिकने पथ पर लुढ़कने के बजाय एक अधिक जटिल मार्ग अपनाया। शायद यह एक सपाट हिस्से से दूसरे तक कूदता रहा, या एक बहु-आयामी स्थान के माध्यम से घूमता रहा जिसे हम आसानी से विज़ुअलाइज़ नहीं कर सकते।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन संभावनाओं का परीक्षण करने के लिए ब्रह्मांड के शुरुआती ऊर्जा परिदृश्य का एक डिजिटल मॉडल बनाने का निर्णय लिया। एक एकल, आदर्श पहाड़ी को मानने के बजाय, उन्होंने हजारों यादृच्छिक, ऊबड़-खाबड़ परिदृश्य बनाए ताकि यह देखा जा सके कि एक लुढ़कती हुई गेंद क्या पथ ले सकती है। उन्होंने ऊर्जा परिदृश्य को एक विशाल, बहु-आयामी भूभाग के रूप में माना जहाँ ऊँचाई उस ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करती है जो विस्तार को संचालित करने के लिए उपलब्ध है। उनके मॉडल में, "गेंद" 'इन्फ्लैटन' (inflaton) है, जो मुद्रास्फीति के लिए जिम्मेदार क्षेत्र है। उन्होंने इन ऊबड़-खाबकड़ परिदृश्यों पर यादृच्छिक स्थानों से गेंद को शुरू किया और यह देखने के लिए प्रतीक्षा की कि क्या वह हमारे जैसा ब्रह्मांड बनाने के लिए पर्याप्त समय तक लुढ़क सकती है। उन्होंने विशेष रूप से दो प्रकार की यात्राओं की तलाश की: एक एकल, लंबी, निर्बाध लुढ़कन, और एक अधिक जटिल यात्रा जहाँ गेंद एक खड़ी ढलान पर तेज़ होगी, फिर एक नए सपाट हिस्से पर फिर से धीमी होगी, और शायद इस चक्र को कई बार दोहराएगी।
उनके सिमुलेशन के परिणामों ने खुलासा किया कि जटिल, बहु-चरणीय यात्रा पहले की तुलना में कहीं अधिक सामान्य है। एक ब्रह्मांड में जिसमें क्षेत्र के घूमने के लिए केवल एक आयाम का स्थान था, लगभग बीस प्रतिशत सफल यात्राओं में कई चरण शामिल थे। जब उन्होंने जटिलता बढ़ाकर दो आयाम कर दी, जिससे गेंद एक तल (प्लेन) में घूम सके, तो बहु-चरणीय यात्राओं की संख्या बढ़कर लगभग चालीस प्रतिशत हो गई। तीन-आयामी स्थान में, यह हिस्सा चालीस प्रतिशत से अधिक हो गया। यह सुझाव देता है कि यदि ब्रह्मांड में मुद्रास्फीति को चलाने वाले एक से अधिक क्षेत्र हैं, तो यह अत्यधिक संभावित है कि विस्तार एक एकल, सुचारू सांस के बजाय तीव्र परिवर्तनों के अंतराल के साथ, दौरों (बर्स्ट) में हुआ था।
शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि इन बहु-आयामी यात्राओं में अक्सर तीखे मोड़ शामिल होते हैं। एक एकल-आयामी दुनिया में, एक गेंद केवल आगे या पीछे लुढ़क सकती है। लेकिन एक बहु-आयामी परिदृश्य में, पथ मुड़ सकता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि दो और तीन आयामों में, सफल मुद्रास्फीति पथों में से विशाल बहुमत—अस्सी प्रतिशत से अधिक—सीधी रेखाएं नहीं बल्कि घुमावदार प्रक्षेपवक्र (ट्रैजेक्टरी) थे जो चलते समय महत्वपूर्ण रूप से मुड़े। ये मोड़ केवल ज्यामितीय विवरण नहीं हैं; वे ब्रह्मांड के ताने-बाने पर विशिष्ट छाप छोड़ते हैं। जब पथ मुड़ता है या जब गेंद चरणों के बीच कूदती है, तो यह पदार्थ के घनत्व में ऐसी लहरें पैदा करता है जो सरल, एकल-चरणीय मॉडलों द्वारा अनुमानित चिकने, एकसमान पैटर्न से भिन्न होती हैं।
हालाँकि एकल, चिकनी लुढ़कन का सरल मॉडल एक वैध संभावना बना हुआ है, अध्ययन सुझाव देता है कि यह एक सामान्य, जटिल ब्रह्मांड में सबसे संभावित परिणाम नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सफल मुद्रास्फीति समग्र रूप से एक दुर्लभ घटना है, जो उनके द्वारा परीक्षण किए गए यादृच्छिक पथों में से केवल लगभग दो प्रतिशत में होती है, चाहे परिदृश्य की जटिलता कुछ भी हो। हालाँकि, उन दुर्लभ सफल पथों के बीच, बहु-चरणीय और बहु-क्षेत्रीय मार्ग हावी हैं। इसका तात्पर्य यह है कि यदि हमारा ब्रह्मांड एक सामान्य, उच्च-ऊर्जा परिदृश्य से उभरा है, तो हमें कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड या आकाशगंगाओं के वितरण में इन जटिल संक्रमणों के प्रमाण देखने की उम्मीद करनी चाहिए। यह अध्ययन यह सिद्ध नहीं करता है कि हमारे ब्रह्मांड ने निश्चित रूप से यह जटिल पथ लिया है, लेकिन यह प्रदर्शित करता है कि ऐसा पथ संभव ब्रह्मांडों के गणितीय परिदृश्य में एक स्वाभाविक और बार-बार होने वाली घटना है, जो इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है कि मुद्रास्फीति को एक सरल, एकल-चरणीय घटना होना चाहिए।
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