급팽창 이론

3. 이론

1930년경, 에드윈 허블은 멀리 떨어진 은하의 빛이 적색편이된다는 것을 발견했다. 이는 은하들이 지구에서 멀어지고 있다는 것을 의미한다. 만약 지구가 우주의 특별한 위치에 있지 않다면, 모든 은하들은 서로 멀어지고 있으며, 멀리 떨어질수록 더 빨리 멀어지고 있음을 의미한다. 우주는 팽창하고 있으며, 은하들을 함께 운반하고 있다.

1979년 물리학자 앨런 구스는, 자기 홀극이 보이지 않는 문제를 조사하면서, 우주가 양의 에너지 가짜 진공(false vacuum) 상태의 장을 포함하면 일반 상대성이론에 따라 공간이 지수 함수적으로 팽창할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 팽창은 다른 많은 오래된 문제들을 해결할 수 있다는 것을 깨달았다. 급팽창 이론은 대폭발(빅뱅) 이론의 맥락에서 우리와 같은 우주를 훨씬 더 가능성 있게 만든다.

이 급팽창을 담당하는 물리적 장은 아직 발견되지 않았지만, 스칼라일 것으로 예상된다. 2012-2013년에 발견된 힉스 장은 최초로 입증된 상대론적 스칼라 장이며, 아직 연구 중이다. 제안된 장과 그 양자(아원자 입자)는 인플라톤이라고 명명되었다.

3. 1. 공간이 팽창함

3. 2. 비균질성이 거의 남지 않음

3. 3. 지속

3. 4. 재가열

4. 동기

에드윈 허블은 멀리 떨어진 은하의 빛이 적색편이된다는 것을 발견했다. 이는 은하들이 지구에서 멀어지고 있다는 것을 의미한다. 지구가 우주의 특별한 위치에 있지 않다면, 모든 은하는 서로 멀어지고 있으며, 멀리 있을수록 더 빨리 멀어진다는 것을 뜻한다. 즉, 우주는 팽창하고 있으며, 이로 인해 은하들이 멀어지는 현상이 관측되는 것이다.

1979년 물리학자 앨런 구스는 우주가 양의 에너지 가짜 진공(false vacuum) 상태의 장을 포함하고 있으면, 일반 상대성이론에 따라 공간이 지수 함수적으로 팽창할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 급팽창은 대폭발(빅뱅) 이론에서 발생하는 여러 문제들을 해결할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

급팽창 이론은 대폭발에서 우주가 매우 미세 조정된 초기 조건에서 시작되어야 한다는 문제점을 해결하며, 우리와 같은 우주가 만들어질 가능성을 높인다. 급팽창을 담당하는 물리적 장은 아직 발견되지 않았지만, 힉스 장과 같이 스칼라일 것으로 예상된다. 제안된 장과 그 양자들은 인플라톤이라고 명명되었다.

급팽창 이론은 1970년대에 발견된 대폭발 우주론의 몇 가지 문제들을 해결한다.^[61] 앨런 구스는 일반 상대성이론에 따르면 양의 에너지 가짜 진공이 공간의 지수함수적 팽창을 일으킬 것임을 발견했다. 그는 이러한 팽창이 대폭발에서 매우 미세하게 조정된 초기 조건에서 시작되어야 한다는 문제, 즉 평탄성 문제, 지평선 문제, 자기홀극 문제 등을 해결할 수 있다고 보았다.

급팽창 이론에 따르면, 우주는 탄생 직후 10^-36초에서 10^-34초 사이에 높은 에너지를 가진 진공(거짓 진공)에서 낮은 에너지의 진공(현재의 진공)으로 상전이를 거치면서, 음의 압력을 가진 거짓 진공의 에너지 밀도에 의해 지수 함수적인 팽창(급팽창) 단계를 거쳤다. 이 팽창은 양의 우주 상수를 가진 드 시터 우주와 유사하며, 이 급격한 팽창으로 인해 현재 관측 가능한 우주는 인과적으로 연결된 작은 영역에서 시작되었다. 이 작은 영역에 존재했던 양자 요동이 우주 크기로 확장되어 현재 우주 구조의 씨앗이 되었다.

급팽창 이론은 우주 마이크로파 배경 복사의 고정밀 관측 결과와 은하 서베이 관측으로 얻어진 은하 분포 데이터에 의해 높은 정확도로 확인되고 있다. 급팽창 이론의 가장 단순한 모델은 약 10¹⁵ GeV라는 대통일 이론의 에너지 영역을 다루기 때문에, 소립자 물리학에도 중요하다. 1980년대에는 급팽창의 원인이 되는 진공 에너지를 생성하는 장을 대통일 이론이 예측하는 특정 장과 관련짓거나, 실제 우주의 관측 결과를 이용하여 대통일 이론 모델에 제약을 주려는 시도가 있었으나, 큰 성과는 없었다. 인플라톤의 정체는 여전히 수수께끼로 남아 있으며, 급팽창 이론은 주로 초기 우주의 초기 조건에 대한 예측 부분만 상세히 이해되고 있다.

급팽창 시대 이후에는 초기 우주의 고온 방사를 생성한 '''재가열''' 시대가 존재했을 것으로 추정된다. 최근에는 급팽창 종료기에 인플라톤이 다른 입자로 붕괴하는 과정이 공명적으로 일어나 재가열이 발생했다는 매개변수 공명 모델 등이 제안되고 있다.

최근 우주 마이크로파 배경 복사 관측은 급팽창 이론을 지지하는 결과를 보여준다.^[4] 그러나 급팽창 모델에는 급팽창을 일으키는 장의 퍼텐셜을 미세 조정해야 한다는 문제점이 남아 있다. 초끈 이론 등에는 인플라톤 후보가 될 수 있는 입자나 스칼라 장이 많이 존재하지만, 현실 세계에서 스칼라 장이 발견되지 않은 점을 고려하면, 인플라톤 후보를 스칼라 장에 한정할 필요는 없을 수도 있다.

일반 상대성 이론 초기, 알베르트 아인슈타인은 균일한 밀도를 가진 3차원 구체의 아인슈타인 정적 우주 해를 허용하는 우주 상수(우주항)를 도입했다. 이후 빌럼 드 시터는 높은 대칭성을 가진 팽창 우주를 발견했다.^[5] 이 우주는 양의 우주 상수(우주항)를 가지며, 아인슈타인의 해는 불안정하여 작은 요동이 있다면 결국 드 시터의 해로 변화한다는 것이 밝혀졌다.

1970년대 초, 야코프 젤도비치는 빅뱅 우주론의 평탄성 문제와 지평선 문제를 인지했다. 소련에서는 벨린스키와 할라트니코프가 상대성 이론에서의 혼돈적인 BKL 특이점 분석을 이끌었다. 미스너의 믹스마스터 우주는 이러한 혼돈적인 행동을 이용하여 우주론적 문제를 해결하려 시도했다.

1970년대 후반, 시드니 콜먼은 알렉산드르 폴랴코프 등이 장의 양자론에서 가짜 진공의 발전을 연구하기 위해 개발한 인스탄톤 기법을 도입했다. 콜먼은 진공 붕괴(진공의 상전이)에 대한 가장 그럴듯한 경로를 발견하고 단위 부피당 수명의 역수를 계산했지만, 중력 효과를 계산하여 우주론적 결과에 적용하지는 않았다.

소련의 알렉세이 스타로빈스키는 일반 상대성 이론의 에너지 운동량 텐서에 기여하는 양자 보정으로부터 유도되는 지수 함수적 팽창 우주 모델에 처음으로 도달했다. 그는 초기 우주에서 일반 상대성 이론에 대한 양자 보정이 중요하며, 이는 아인슈타인-힐베르트 작용에 대한 곡률 제곱 보정을 유도할 것이라고 생각했다. 이 때문에 그는 초기 우주가 급팽창 시기에 지수 함수적으로 팽창하는 드 시터 상으로 1차 상전이한다고 제안했다.^[6]

1978년, 젤도비치는 자기홀극 문제를 고찰했다. 1980년, 앨런 구스는 초기 우주에서의 가짜 진공 붕괴가 이 문제를 해결할 수 있다는 것을 깨닫고, 스칼라 장에 의해 구동되는 급팽창 이론을 제안했다.

소립자의 대통일 이론에서 일차 상전이를 기반으로 한 인플레이션 모델은 사토 가쓰히코(佐藤勝彦)와 앨런 구스에 의해 독립적으로 제안되었지만, 알렉세이 스타로빈스키는 중력에 대한 양자 보정에 의해 우주의 초기 특이점을 지수함수적으로 팽창하는 드 시터 시대로 대체할 수 있다는 것을 논의하고, 진공 편극 효과를 기반으로 한 인플레이션 모델을 제안했다.^[7] 1980년 10월, 데모스테네스 카자나스(Demosthenes Kazanas)는 지수함수적 팽창이 관측 가능한 우주(粒子的地平面)를 제거하여 지평선 문제를 해결할 수 있다고 시사했다.^[8] 1981년, 사토 가쓰히코는 지수함수적 팽창이 도메인 월(ドメインウォール)을 제거할 수 있다고 시사했다.^[9] Martin B. Einhorn과 사토는 구스에 앞서 지수함수적 우주 팽창에 관한 논문을 발표하고, 대통일 이론에 자기홀극이 다량으로 나타나는 문제를 해결할 수 있음을 보였다.^[10]

사토와 구스의 모델에서는 탄생 직후의 우주가 가짜 진공 상태에 있었고, 이 상태에서 우주는 엄밀히 드 시터 우주의 팽창 법칙을 따른다고 보았다. 인플레이션이 끝난 영역은 진짜 진공의 "거품" 핵 생성으로 만들어지고, 나머지 영역에서는 인플레이션이 계속된다. 거품들이 충돌하면 거품 벽의 에너지가 입자로 변환되어 빅뱅 초기 우주의 고온 복사와 물질 입자가 된다. 이 과정을 재가열(再加熱)이라고 한다. 구스는 인플레이션 우주를 "궁극의 무료 점심"이라고 표현했다.^[11]

그러나 이 일차 상전이 모델은 표준 빅뱅 이론의 문제를 해결할 만큼 충분히 인플레이션이 진행되도록 하려면 진짜 진공의 핵 생성률이 매우 작아야 하지만, 핵 생성률이 작으면 거품끼리의 충돌이 일어나지 않아 재가열 과정이 작동하지 않는다는 문제, 즉 "화려한 퇴장의 문제(graceful exit problem)"가 발생했다.

4. 1. 지평선 문제

4. 2. 편평도 문제

4. 3. 자기 홀극 문제

5. 관측적 상태

급팽창 우주는 지구 표면의 곡률로 인해 생기는 지평선과 유사하게 관측자가 볼 수 있는 우주 부분의 경계를 나타내는 우주론 지평선을 가진다. 가속하는 우주의 우주론 지평선 너머에 있는 물체에서 방출되는 빛은 관측자와 물체 사이의 공간이 너무 빠르게 팽창하기 때문에 관측자에게 도달하지 않는다.

관측 가능한 우주는 훨씬 더 큰 관측 불가능한 우주의 한 ''인과 패치(causal patch)''이다. 우주의 다른 부분은 아직 지구와 통신할 수 없다. 표준적인 뜨거운 대폭발(빅뱅) 모형에서는 급팽창 없이 우주론적 지평선이 이동하여 새로운 영역을 볼 수 있다.^[48] 그러나 국소 관찰자가 처음으로 그러한 영역을 볼 때, 그 배경 복사는 다른 지역의 배경 복사와 거의 동일한 온도이며, 시공간 곡률은 다른 것들과 발맞추어 진화하고 있다. 이것은 새로운 지역이 과거 광추와 통신하지 않았음에도 불구하고, 그들이 가져야 할 온도와 곡률을 어떻게 알았는지에 대한 의문을 제기한다.^[49][50]

급팽창 이론은 모든 지역이 큰 진공 에너지 또는 우주상수를 가진 초기 시대에서 왔다고 가정함으로써 이 질문에 답한다. 우주상수가 있는 공간에서 우주론적 지평선은 바깥쪽으로 이동하는 대신에 그대로 유지된다. 지수 함수적으로 팽창하는 공간으로 인해, 두 명의 가까운 관측자가 아주 빠르게 분리된다. 공간 슬라이스들은 거대한 볼륨을 커버하기 위해 아주 빠르게 팽창하고 있다. 사물들은 고정된 거리에 있는 우주론적 지평선 너머로 끊임없이 이동하고 있어서, 모든 것이 균질하게 된다.

급팽창의 장이 천천히 진공 상태로 이완됨에 따라, 우주상수는 영이 되고 공간은 정상적으로 팽창하기 시작한다. 정상적인 팽창 단계에서 시야에 들어오는 새로운 지역들은 급팽창 동안 지평선 밖으로 밀려난 정확히 동일한 지역들이며, 따라서 거의 동일한 온도와 곡률에 있다.

급팽창 이론은 우주의 다른 지역들의 온도와 곡률이 거의 같은 이유를 설명하며, 또한 일정한 대역적 시간에서 한 공간 슬라이스의 전체 곡률이 영이라고 예측한다. 이는 우주의 전체 일반 물질, 암흑 물질 및 잔여 진공 에너지가 임계 밀도까지 합산되어야 함을 암시하며, 증거가 이를 뒷받침한다. 급팽창을 통해 물리학자들은 급팽창 시대의 양자 요동으로부터 서로 다른 지역의 미세한 온도 차이를 계산할 수 있었고, 이러한 정량적 예측 중 많은 부분이 확인되었다.^[51][52]

급팽창은 물리적 우주론의 표준 모형의 기초가 되는 우주론 원리를 실현하기 위한 메커니즘으로, 관측 가능한 우주의 균질성과 등방성을 설명한다. 또한, 관측된 편평도와 자기 홀극의 부재를 설명한다.

5. 1. 우주 마이크로파 배경(CMB) 관측

5. 2. 향후 관측 계획

6. 이론적 상태

일부 물리학자들은 초기 조건 문제를 피하기 위해 기원이 없는 영원히 급팽창하는 우주 모형들을 제안했다.^{[140][141][142]} 이 모형들은 우주가 가장 큰 규모에서 지수 함수적으로 팽창하는 동안 공간적으로 무한했고, 영원히 존재할 것이라고 제안한다.

양자 우주론에 기초하여 우주의 무(無)로부터의 창조를 설명하려는 시도도 있었다. 빌렌킨은 그러한 시나리오 중 하나를 제시했고,^[136] 하틀과 호킹은 급팽창이 자연스럽게 발생하는 우주의 초기 창조에 대해 무경계 제안을 했다.^{[143][144][145]}

구스는 급팽창 우주를 "궁극의 무료 점심"이라고 표현했다.^[146][147] 우리의 우주와 유사한 새로운 우주는 광대한 급팽창 배경에서 지속적으로 생성된다. 이 경우, 중력 상호 작용은 열역학 제1법칙(에너지 보존)과 열역학 제2법칙(엔트로피 및 시간의 화살 문제)을 우회한다. 하지만, 이것이 초기 조건 문제를 해결한다는 합의는 있지만, 일부에서는 우주가 양자 요동에 의해 생성되었을 가능성이 더 높기 때문에 이의를 제기한다. 돈 페이지는 이러한 변칙 때문에 급팽창에 대해 비판적이었다.^[148] 그는 열역학적 시간의 화살은 낮은 엔트로피 초기 조건을 필요로 하며, 이는 매우 가능성이 낮다고 강조했다. 또한 급팽창 이론은 이 문제를 해결하기보다는 악화시킨다고 주장했다. 급팽창 시대가 끝날 때 재가열은 엔트로피를 증가시켜 급팽창 단계가 없는 다른 대폭발(빅뱅) 이론들보다 우주의 초기 상태가 더 정돈되어야 하기 때문이다.

호킹과 페이지는 하틀-호킹 초기 상태에서 급팽창 확률을 계산하려 했지만 모호한 결과를 얻었다.^[149] 다른 학자들은 급팽창이 영원하기 때문에, 급팽창이 정확히 영이 아닌 한, 그 확률은 중요하지 않다고 주장했다.^[39][150] 그러나 알브레히트와 로렌조 소르보는 오늘날의 관측과 일치하는 급팽창 우주의 확률은, 기존의 어떤 상태에서 무작위적 변동에 의해 출현할 확률이 비급팽창 우주의 확률보다 훨씬 높다고 주장했다. 이는 급팽창 우주에 필요한 비중력적 에너지의 "씨앗" 양이, 비급팽창 대안에 대한 것보다 훨씬 적기 때문이다.^[151]

'트랜스-플랑크 문제' 또는 '트랜스-플랑크 효과'도 문제점으로 제기된다.^[152] 급팽창의 에너지 척도와 플랑크 척도는 상대적으로 가깝기 때문에, 우리 우주의 구조를 구성하는 일부 양자 요동은 급팽창 이전의 플랑크 길이보다 작다. 따라서 플랑크 척도 물리학, 특히 알려지지 않은 양자 중력론에 수정이 필요하다. 이 효과의 크기에 대해서는 의견이 분분하다.^[153]

사토 가쓰히코와 앨런 구스는 소립자의 대통일 이론에서 일차 상전이를 기반으로 한 인플레이션 모형을 독립적으로 제안했다. 알렉세이 스타로빈스키는 중력에 대한 양자 보정으로 우주의 초기 특이점을 지수함수적으로 팽창하는 드 시터(de Sitter) 시대로 대체할 수 있다고 보았고, 진공 편극 효과를 기반으로 한 인플레이션 모형을 제안했다.^[7] 데모스테네스 카자나스는 지수함수적 팽창이 관측 가능한 우주(粒子的地平面)를 제거하여 지평선 문제를 해결할 수 있다고 시사했다.^[8] 사토 가쓰히코는 지수함수적 팽창이 도메인 월을 제거할 수 있다고 시사했다.^[9] Martin B. Einhorn과 사토는 구스보다 먼저 지수함수적 우주 팽창에 관한 논문을 발표하고, 대통일 이론에서 자기 홀극이 다량으로 나타나는 문제를 해결할 수 있음을 보였다.^[10] 그러나 그들은 그러한 모델이 우주 상수의 미세 조정을 필요로 하고, 거품 벽의 충돌로 인해 발생하는 큰 밀도 변동을 유도한다는 결론을 내렸다.

이 모델에서는 인플레이션이 끝난 영역이 진짜 진공의 "거품" 핵 생성으로 우주 내에 만들어지고, 나머지 영역에서는 인플레이션이 계속된다. 거품들이 충돌하면 거품 벽의 막대한 에너지가 입자로 변환되어 빅뱅 초기 우주의 고온 복사와 물질 입자가 된다. 이 과정을 재가열이라고 한다. 인플레이션이 계속되는 거대한 배경 영역에서는 우리 우주와 같은 새로운 우주가 끊임없이 생성된다. 중력 상호 작용의 에너지는 음수이므로, 양의 에너지를 가진 우주가 새로 생성되어도 에너지 보존 법칙은 깨지지 않는다. 열역학 제1법칙 (에너지 보존 법칙)과 열역학 제2법칙 (시간의 화살 문제) 모두 잘 회피된다. 구스는 이를 두고 인플레이션 우주를 "궁극의 무료 점심"이라고 표현했다.^[11]

하지만 이 일차 상전이 모델은 잘 작동하지 않는다. 표준 빅뱅 이론의 문제를 해결할 만큼 충분히 인플레이션이 진행되려면 진짜 진공의 핵 생성률이 매우 작아야 하는데, 핵 생성률이 작으면 거품끼리의 충돌이 일어나지 않아 재가열 과정이 작동하지 않는다. 거품 사이에 있는 (인플레이션이 여전히 진행되고 있는) 공간은 매우 빠르게 팽창하여 거품끼리의 거리가 거품 자체의 성장 속도보다 더 빠르게 멀어지기 때문이다. 가짜 진공의 붕괴로 방출되는 에너지는 모두 거품 벽의 운동 에너지로 사용되고, 고온의 빅뱅에 필요한 에너지는 거품의 충돌로 공급되지 않아 불덩이 우주 시대로 이행하지 않는다. 이 문제는 "화려한 퇴장의 문제"라고 불리며, 일차 상전이 모델은 현재 낡은 인플레이션이라고 불린다.

구스 모델을 초끈 이론이나 양자 중력 이론으로 해명하려는 움직임이 계속되고 있다. 일본에서는 사사키 세쓰 등이 연구를 수행하여, 일반상대성이론적으로는 아인슈타인이 자신의 인생 최대의 실수라고 했던 우주상수에 기인할 가능성이 있다는 수학적 견해에 도달했다. 그러나 우주 관측 결과, 수십억 년(40억 년~60억 년) 전에 시작되었다고 하는 제2차 급팽창의 원동력조차 미해결 문제로 남아 있다. 라이트버드나 남극점 위성 등에 의한 정밀 탐사를 통해 이 미해결 문제에 대한 견해를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

6. 1. 인플라톤 장의 정체

• 힉스 장: 표준 모형 내에서 급팽창을 설명할 수 있다는 장점이 있지만, 실험 데이터와의 긴장 관계가 문제점으로 지적된다.^[125]
• 대통일 이론 관련 속성: 가장 단순한 대통일 이론 모형은 실패했지만, 여전히 가능성이 있는 후보로 여겨진다.^[95]
• 초대칭 이론: 끈 이론과 함께 급팽창 이론을 포함할 수 있는 유력한 후보로 꼽힌다.
• 끈 이론: 초대칭 이론과 마찬가지로 급팽창 이론을 포함할 가능성이 있는 후보이다.

6. 2. 미세 조정 문제

7. 하이브리드 급팽창

하이브리드 급팽창은 신 급팽창 이론의 확장이다. 이 모델에서는 추가적인 스칼라 장이 도입된다. 이 중 하나의 스칼라 장은 일반적인 슬로우롤 급팽창을 일으키고, 다른 하나는 급팽창의 종료를 유발한다. 급팽창이 충분히 오래 지속되면, 두 번째 장은 훨씬 낮은 에너지 상태로 붕괴하는 것이 유리해진다.^[154]

하이브리드 급팽창에서는 한 스칼라 장이 에너지 밀도의 대부분을 담당하여 팽창 속도를 결정하고, 다른 스칼라 장은 슬로우롤(급팽창 및 종료 시기를 결정)을 담당한다. 따라서 전자의 급팽창 요동은 급팽창 종료에 영향을 주지 않지만, 후자의 요동은 팽창률에 영향을 미치지 않는다. 그러므로 하이브리드 급팽창은 영원하지 않다.^[155][156] 두 번째(슬로우롤링) 급팽창장이 퍼텐셜의 바닥에 도달하면, 첫 번째 급팽창장의 퍼텐셜 최소값 위치를 변경하여 급팽창장의 빠른 롤(fast roll)을 통해 퍼텐셜을 낮추고, 급팽창을 종료시킨다.

8. 암흑 에너지와의 관계

암흑 에너지는 대체로 급팽창 이론과 유사하며 현재 우주의 팽창을 가속화하는 것으로 생각된다. 그렇지만, 암흑 에너지의 에너지 척도는 훨씬 더 낮으며, 10^-12 GeV로 급팽창의 척도보다 대략 27차수가 작다.

9. 급팽창과 끈 우주론

다발 축소화의 발견은 급팽창과 끈 이론을 조화시키는 길을 열었다.^[157] ''브레인 급팽창''은 축소화 기하학에서 D-막^[158]의 움직임에서 급팽창이, 일반적으로 반-D-막(anti-D-brane)의 한 스택(stack)을 향하여 발생한다는 것을 시사한다. ''디랙-보른-인펠트 작용(Dirac-Born-Infeld action)''에 의해 지배되는 이 이론은, 보통의 급팽창 이론과는 다르다. 그 역학은 완전히 이해되지 않고 있다. 끈 풍경(string landscape)에서 두 진공 사이의 터널링에서 급팽창이 발생하기 때문에 특별한 조건이 필요한 것으로 보인다. 두 진공 사이의 터널링 과정은 오래된 급팽창의 한 형태이지만, 신 급팽창은 다른 메커니즘에 의해 발생하는 것임에 틀림없다.

초끈 이론이나 양자 중력 이론의 맥락에서 시사되고 있는 잘 알려진 아이디어 중 하나로, 우주에는 우리가 경험하는 3차원보다 더 많은 공간 차원이 존재하며, 예를 들어 9차원 공간이라면 6차원 칼라비-야우 다양체에 말려들어 플랑크 길이 정도의 크기로 존재하지만, 우주는 세 개의 공간 차원에서만 급팽창을 일으켰다는 것이 있다. 이 이론은 string gas cosmology라고 불리며, Robert Brandenberger|로버트 브랜덴버거^영어와 쿠맘란 바파에 의해 제안되었다. 이 이론에서는 충돌하는 끈의 위상적인 성질에 의해 우리 우주에는 추가 차원이 플랑크 스케일을 유지한 채, 세 개의 크게 팽창한 차원이 존재하게 되었다는 것을 시사하고 있다. 그러나 이 이론의 실용성에 대해서는 많은 의문이 제기되고 있다.

그 외에도 브레인 우주론이나 에키피로틱 우주론, 순환 우주론, 광속 변동 이론 등이 급팽창 이론의 경쟁 이론 또는 발전 이론으로 간주되고 있다.

10. 급팽창과 루프 양자중력

루프 양자중력이 우주론에 미치는 영향을 조사할 때, 루프 양자 우주론 모형은 우주론 급팽창에 대한 가능한 메커니즘을 제공하도록 진화했다. 루프 양자중력은 양자화된 시공간을 가정한다. 만일 에너지 밀도가 양자화된 시공간이 보유할 수 있는 것보다 크면, 다시 튀어 오르는 것으로 생각된다.^[159]

11. 대안과 부속안

초끈 이론이나 양자 중력 이론에서는 우리가 경험하는 3차원 외에 추가적인 공간 차원이 존재한다고 본다. 예를 들어 9차원 공간에서 6차원은 칼라비-야우 다양체에 말려 플랑크 길이 정도로 존재하고, 3차원만 급팽창을 일으켰다는 것이다. 로버트 브랜덴버거와 쿠맘란 바파가 제안한 끈 가스 우주론은 충돌하는 끈의 위상적 성질 때문에 추가 차원은 플랑크 스케일로 유지되고, 3개의 차원만 크게 팽창했다고 설명한다. 그러나 이 이론의 실용성에는 많은 의문이 제기되고 있다.

브레인 우주론, 에키피로틱 우주론, 순환 우주론, 광속 변동 이론 등도 급팽창 이론의 대안 또는 부속 이론으로 간주된다.

11. 1. 빅 바운스

11. 2. 에크파이로틱 및 순환 모형

12. 비평들

앨런 구스가 1980년 급팽창 이론을 도입한 이후, 이 이론은 널리 받아들여졌지만, 검증 불가능한 예측과 경험적 뒷받침 부족을 이유로 비판받아 왔다.^[39] 1999년, 존 어먼과 헤수스 모스테린은 급팽창 우주론에 대한 비판적 검토를 발표하며, 급팽창 모형을 우주론의 표준으로 받아들일 만한 충분한 근거가 아직 없다고 결론내렸다.^[40]

로저 펜로즈는 1986년부터 급팽창이 작동하려면 극도로 특정한 초기 조건이 필요하며, 이는 초기 조건 문제를 해결하지 못한다고 지적했다.^[169] 2015년 회의에서 펜로즈는 급팽창이 이미 위조되었다고 언급하며, BICEP의 관측 결과가 급팽창 지지자들에게 타격을 주었다고 말했다.^[41]

급팽창의 원인으로 가정되는 인플라톤 장이 알려진 물리적 장과 일치하지 않으며, 퍼텐셜 에너지 곡선이 거의 모든 데이터를 수용하기 위한 임시적인 장치로 보인다는 비판도 제기된다.

급팽창 우주론의 창시자 중 한 명인 폴 슈타인하르트는 최근 급팽창 이론에 대한 가장 날카로운 비평가 중 한 명이 되었다. 그는 '나쁜 급팽창'과 '좋은 급팽창'을 구분하며, '나쁜 급팽창'이 더 가능성이 높을 뿐만 아니라, 급팽창 자체가 일어날 가능성도 낮다고 주장한다.^[39][150] 그는 로저 펜로즈의 연구를 인용하며, 급팽창 없이 평평한 우주를 얻는 것이 급팽창을 통해 얻는 것보다 10의 구골플렉스 제곱 배만큼 더 가능성이 높다고 지적했다.

폴 슈타인하르트는 안나 이자스 및 아브라함 뢰브와 함께 플랑크 위성 데이터를 근거로 급팽창 이론에 문제를 제기하는 논문을 발표하기도 했다.^[171][172]

하지만 앨런 구스, 데이비드 카이저, 노무라 야스노리^[173]와 안드레이 린데^[174]는 우주 급팽창 이론이 여전히 강력한 기반 위에 있다고 반론했다.^[173]

12. 1. 검증 가능성 문제

12. 2. 인플라톤 장 관련 비판

12. 3. 폴 슈타인하르트의 비판

12. 4. 반론

참조

_[1] 논문 小松英一郎が語る 絞られてきたモデル 日経サイエンス社
_[2] 논문 First-order phase transition of a vacuum and the expansion of the Universe http://adsabs.harvar[...]
_[3] 논문 The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems https://ui.adsabs.ha[...]
_[4] 웹사이트 Robert H. Brandenberger Challenges for Inflationary Cosmology http://www.arxiv.org[...]
_[5] 논문 Einstein's theory of gravitation and its astronomical consequences. Third paper
_[6] 논문 Spectrum Of Relict Gravitational Radiation And The Early State Of The Universe
_[7] 논문 A new type of isotropic cosmological models without singularity
_[8] 논문 Dynamics of the universe and spontaneous symmetry breaking
_[9] 논문 Cosmological baryon number domain structure and the first order phase transition of a vacuum
_[10] 논문 Monopole Production In The Very Early Universe In A First Order Phase Transition
_[11] 서적 The Inflationary Universe Perseus Books Group
_[12] 논문 A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution Of The Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy And Primordial Monopole Problems https://ui.adsabs.ha[...]
_[13] 논문 Cosmology For Grand Unified Theories With Radiatively Induced Symmetry Breaking https://ui.adsabs.ha[...]
_[14] 논문 Spontaneous Creation Of Almost Scale-Free Density Perturbations In An Inflationary Universe
_[15] 문서 See Linde (1990) and Mukhanov (2005).
_[16] 논문 Quantum fluctuation and "nonsingular" universe
_[17] 논문 The vacuum energy and large scale structure of the universe
_[18] 문서 See Guth (1997) for a popular description of the workshop, or The Very Early Universe, ISBN 0521316774 eds Hawking, Gibbon & Siklos for a more detailed report
_[19] 논문 The development of irregularities in a single bubble inflationary universe
_[20] 논문 Dynamics of phase transition in the new inflationary universe scenario and generation of perturbations
_[21] 논문 Fluctuations in the new inflationary universe
_[22] 논문 Spontaneous creation Of almost scale-free density perturbations in an inflationary universe
_[23] 논문 Eternal chaotic inflation
_[24] 논문 Eternally existing self-reproducing chaotic inflationary universe
_[25] 논문 Inflationary space-times are incomplete in past directions
_[26] 논문 Open and closed universes, initial singularities and inflation
_[27] 논문 Eternal inflation and the initial singularity
_[28] 논문 Inflation and String Cosmology https://arxiv.org/ab[...]
_[29] 논문 Steady-State Eternal Inflation https://arxiv.org/ab[...]
_[30] 웹사이트 Inflation for Beginners http://www.lifesci.s[...]
_[31] 웹사이트 https://arxiv.org/ab[...]
_[32] 논문 BICEP2 2014 I: Detection of B-mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2
_[33] 뉴스 宙急膨張の証拠観測、誤りか…米研究チーム https://web.archive.[...] 読売新聞 2014-06-26
_[34] 뉴스 Physicists Debate Discovery of Gravitational Ripples from the Big Bang http://www.space.com[...] SPACE.COM 2014-06-05
_[35] 영상 First Second of the Big Bang https://en.m.wikiped[...] Discovery Science
_[36] 웹사이트 2014 Astrophysics Citation https://web.archive.[...]
_[37] 서적 Origins: Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution W. W. Norton & Co. 2004
_[38] 논문 Introductory review of cosmic inflation https://arxiv.org/ab[...] 2003-04-28
_[39] 논문 The inflation debate: Is the theory at the heart of modern cosmology deeply flawed? https://ui.adsabs.ha[...] 2011
_[40] 논문 A Critical Look at Inflationary Cosmology https://doi.org/10.1[...] 1999-03
_[41] 웹사이트 CMB@50 day three https://storify.com/[...] 2015-07-15
_[42] 서적 The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins Basic Books 1997
_[43] 웹사이트 The Medallists: A list of past Dirac Medallists https://www.ictp.it/[...]
_[44] 웹사이트 Laureates of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics in 2012 https://breakthrough[...]
_[45] 웹사이트 BICEP2 2014 Results Release http://bicepkeck.org[...] 2014-03-17
_[46] 웹사이트 NASA Technology Views Birth of the Universe https://www.jpl.nasa[...] 2014-03-17
_[47] 뉴스 Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang https://www.nytimes.[...] 2014-03-17
_[48] 서적 The Coded Universe: The Path to Eternity https://books.google[...] Dorrance Publishing Co. 2013
_[49] 웹사이트 Using Tiny Particles To Answer Giant Questions https://www.npr.org/[...] 2009-04-03
_[50] 웹사이트 Faster than light#Universal expansion https://en.m.wikiped[...]
_[51] 논문 Three-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observations: Implications for cosmology http://lambda.gsfc.n[...] 2007
_[52] 뉴스 Our Baby Universe Likely Expanded Rapidly, Study Suggests http://www.space.com[...] 2012-02-28
_[53] 논문 The Cosmic Horizon https://arxiv.org/ab[...] 2008
_[54] 논문 The Cosmological Spacetime https://arxiv.org/ab[...] 2009
_[55] 서적 1988
_[56] 서적 Introduction to cosmology Addison-Wesley 2003
_[57] 문서 팽창량에 대한 설명
_[58] 논문 Phase transitions in the very early universe
_[59] 문서 참고문헌
_[60] 논문 Reheating after inflation https://arxiv.org/ab[...] 1994
_[61] 문서 역사적 배경
_[62] 논문 The isotropy of the universe 1968
_[63] 서적 Gravitation W. H. Freeman 1973
_[64] 서적 Gravitation and Cosmology John Wiley 1971
_[65] 논문 The expanding universe 1933
_[66] 서적 Relativity, Thermodynamics, and Cosmology Oxford: Clarendon Press 1934
_[67] 논문 Mixmaster universe https://ui.adsabs.ha[...] 1969
_[68] 서적 Gravitation and the Universe American Philosophical Society 1970
_[69] 논문 The big bang cosmology – enigmas and nostrums Cambridge University Press 1979
_[70] 서적 Ancient Light: Our Changing View of the Universe Harvard University Press 1993-01-01
_[71] 웹사이트 WMAP - Content of the Universe http://map.gsfc.nasa[...]
_[72] 논문 Grand Unified Theories 2006-06-00
_[73] 논문 Magnetic monopoles in unified gauge theories http://dspace.librar[...] 1974-00-00
_[74] 논문 Particle spectrum in quantum field theory 1974-00-00
_[75] 논문 Phase transitions and magnetic monopole production in the very early universe http://repository.us[...] 1980-00-00
_[76] 논문 Are grand unified theories compatible with standard cosmology? 1980-00-00
_[77] 논문 On the concentration of relic monopoles in the universe 1978-00-00
_[78] 논문 Cosmological production of superheavy magnetic monopoles https://authors.libr[...] 1979-00-00
_[79] 논문 Review of Particle Physics http://pdg.lbl.gov/ 2006-00-00
_[80] 서적 Before the Beginning Basic Books 1998-00-00
_[81] 논문 Einstein's theory of gravitation and its astronomical consequences. Third paper 1917-00-00
_[82] 논문 Spontaneous creation of the universe from nothing 2014-00-00
_[83] 논문 Spectrum of relict gravitational radiation and the early state of the universe 1979-12-00
_[84] 논문 Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation 2016-00-00
_[85] 세미나 10−35 seconds after the Big Bang https://en.m.wikiped[...] 1980-01-23
_[86] 논문 Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems http://www.astro.rug[...] 1981-00-00
_[87] 서적 Chapter 17 1993-00-00
_[88] 논문 A new type of isotropic cosmological models without singularity 1980-00-00
_[89] 논문 Dynamics of the universe and spontaneous symmetry breaking 1980-00-00
_[90] 논문 Cosmological Inflation: A Personal Perspective Springer Science & Business Media 2009-00-00
_[91] 논문 Cosmological baryon number domain structure and the first order phase transition of a vacuum 1981-00-00
_[92] 논문 Monopole production in the very early universe, in a first-order phase transition 1981-00-00
_[93] 서적 Adventures in Order and Chaos: A scientific autobiography Springer Science & Business Media 2004-00-00
_[94] 논문 A new inflationary universe scenario: A possible solution of the horizon, flatness, homogeneity, isotropy and primordial monopole problems 1982-00-00
_[95] 논문 Cosmology for Grand Unified Theories with Radiatively Induced Symmetry Breaking https://web.archive.[...] 1982-00-00
_[96] 서적 Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity https://archive.org/[...] Addison Wesley 2003-00-00
_[97] 서적 1990-00-00
_[98] 논문 Quantum fluctuation and "nonsingular" universe 1981-00-00
_[99] 논문 The vacuum energy and large scale structure of the universe 1982-00-00
_[100] 서적 The Very Early Universe 1997-00-00
_[101] 논문 The development of irregularities in a single bubble inflationary universe 1982-00-00
_[102] 논문 Dynamics of phase transition in the new inflationary universe scenario and generation of perturbations 1982-00-00
_[103] 논문 Fluctuations in the new inflationary universe 1982-00-00
_[104] 논문 Spontaneous creation Of almost scale-free density perturbations in an inflationary universe 1983-00-00
_[105] 논문 Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters 2016-10-01
_[106] 문서
_[107] 논문 Inflationary Predictions for Scalar and Tensor Fluctuations Reconsidered 2006-03-24
_[108] 논문 Cosmological constraints from the SDSS luminous red galaxies 2006-08-01
_[109] 논문 Cosmological perturbations: Myths and facts https://semanticscho[...] 2004
_[110] 논문 What does inflation really predict? 2005
_[111] 문서
_[112] 논문 Planck 2015 results. XX. Constraints on inflation 2016-10-01
_[113] 논문 First year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) observations: determination of cosmological parameters 2003
_[114] 문서
_[115] 논문 Five years after BICEP2 2019
_[116] 논문 Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2 2014-06-19
_[117] 뉴스 Astronomers Hedge on Big Bang Detection Claim https://ghostarchive[...] The New York Times 2014-06-19
_[118] 뉴스 Cosmic inflation: Confidence lowered for Big Bang signal https://www.bbc.com/[...] BBC News 2014-06-19
_[119] 논문 Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes 2016
_[120] 뉴스 Study Confirms Criticism of Big Bang Finding https://ghostarchive[...] The New York Times 2014-09-22
_[121] 뉴스 Gravitational Waves from Early Universe Remain Elusive http://www.jpl.nasa.[...] NASA 2015-01-30
_[122] 뉴스 Speck of Interstellar Dust Obscures Glimpse of Big Bang https://ghostarchive[...] The New York Times 2015-01-30
_[123] 논문 Systematic effects in CMB polarization measurements 2005
_[124] 논문 Measuring the small-scale power spectrum of cosmic density fluctuations through 21 cm tomography prior to the epoch of structure formation http://cds.cern.ch/r[...] 2004
_[125] 뉴스 Could the Large Hadron Collider discover the particle underlying both mass and cosmic inflation? http://www.scientifi[...] Scientific American 2012-06-29
_[126] 서적 The Inflationary Universe Addison–Wesley 1997
_[127] 논문 Higgs inflation at NNLO after the boson discovery 2013
_[128] 문서
_[129] 논문 Agravity 2014-03-17
_[130] 논문 Chaotic inflation 1983
_[131] 문서
_[132] 논문 Inflation models and observation 2006
_[133] 논문 What would we learn by detecting a gravitational wave signal in the cosmic microwave background anisotropy? https://archive.toda[...] 1997
_[134] 논문 Challenges for inflationary cosmology (10th International Symposium on Particles, Strings and Cosmology) 2004-11-01
_[135] 서적 "Natural Inflation," in The Very Early Universe Cambridge University Press 1983
_[136] 논문 Birth of Inflationary Universes 1983
_[137] 간행물 Inflation Debate: Is the theory at the heart of modern cosmology deeply flawed? http://www.physics.p[...] Scientific American 2011-04-01
_[138] 웹인용 보관된 사본 http://www.physics.p[...] 2022-02-18
_[139] 웹사이트 https://www.cfa.harv[...]
_[140] 논문 Does inflation provide natural initial conditions for the universe? 2005
_[141] 논문 Inflation without a beginning: A null boundary proposal
_[142] 논문 Steady-State Eternal Inflation http://cds.cern.ch/r[...]
_[143] 논문 Wave function of the universe
_[144] 뉴스 Taming the multiverse—Stephen Hawking's final theory about the big bang https://phys.org/new[...] Phys.org 2018-05-02
_[145] 논문 A smooth exit from eternal inflation? 2018-04-20
_[146] 서적
_[147] 웹사이트 Wikiquote
_[148] 논문 Inflation does not explain time asymmetry
_[149] 논문 How probable is inflation?
_[150] 서적 Endless Universe: Beyond the Big Bang Broadway Books
_[151] 논문 Can the universe afford inflation?
_[152] 논문 The trans-Planckian problem of inflationary cosmology
_[153] 논문 Superimposed Oscillations in the WMAP Data?
_[154] 논문 A Status Review of Inflationary Cosmology
_[155] 논문 Prospects of Inflation
_[156] 논문 Racetrack Inflation
_[157] 논문 Towards inflation in string theory
_[158] 논문 Brane Inflation
_[159] 뉴스 Big Bang or Big Bounce?: New theory on the universe's birth http://www.scientifi[...] Scientific American 2008-10
_[160] 문서 표준 대폭발 급팽창 모형에서 우주 특이점 문제는 해결되지 않은 채로 남아 있고 우주론은 측지학적으로 불완전하다. 결과적으로, 공간과 시간의 기원과 팽창을 시작하는 데 필요한 독특하고 지수 함수적으로 미세 조정된 초기 조건은 설명되지 않는다. 최근 일련의 논문에서 우리는 중력과 결합된 표준 모형의 균질한 고전적 우주론적 해의 완전한 세트를 구성하는 방법을 보여주었다. 여기서 우주 특이점은 바운스로 대체된다: 수축과 빅 크런치로부터 대폭발과 팽창으로.
_[161] 논문 Sailing through the big crunch-big bang transition
_[162] 논문 Cosmology with torsion: An alternative to cosmic inflation
_[163] 논문 Nonsingular, big-bounce cosmology from spinor-torsion coupling
_[164] 논문 Superstrings in the early universe
_[165] 논문 String Gas Cosmology
_[166] 논문 String Gas Cosmology and Structure Formation http://cds.cern.ch/r[...]
_[167] 논문 Speed of sound in string gas cosmology 2008-09-17
_[168] 논문 Creating spatial flatness by combining string gas cosmology and power law inflation 2020-05-11
_[169] 서적 Difficulties with Inflationary Cosmology Vintage Books
_[170] 문서 구골플렉스는 10¹⁰⁰이며, 따라서 슈타인하르트는 확률 비_ratio가 10¹⁰¹⁰⁰이라고 주장하는 것이다.
_[171] 논문 Inflationary paradigm in trouble after Planck 2013
_[172] 논문 Inflationary schism after Planck 2013
_[173] 논문 Inflationary paradigm after Planck 2013
_[174] 논문 Inflationary cosmology after Planck 2013