Før Big Bang

Alan Guths karriere var i luften. Som en ambitiøs postdoc ved Cornell University i 1978 ledte Guth efter en måde at bidrage til sit felt af partikelfysik, men hans forskning havde tiltrukket sig ringe interesse. Han skulle også finde et fast job for at forsørge sin kone, Susan, og baby, Larry. Men hans jobsøgning var heller ikke gået godt.

Det efterår havde en trio af kosmologer eller tidlige univers teoretikere vundet Nobelprisen i fysik. Snart summede diskussioner om universets oprindelse og især big bang-teorien - ideen om, at universet begyndte med en eksplosion, og at alt stof har bevæget sig udad siden - i akademiske haller og blandt den brede offentlighed. Så da en kosmolog kom for at tale hos Cornell, gik Guth '69, SM '69, PhD '72, for at høre, hvad han havde at sige. Foredragsholderen, Robert Dicke, talte blandt andet om et komplekst kosmologisk problem, som videnskabsmænd ikke havde været i stand til at løse. Det har bestemt vakt min interesse, siger Guth. Dickes foredrag så ud til at pege på konklusionen om, at traditionel big-bang-teori udelod noget vigtigt. To år senere, i løbet af sin forskning i et helt andet område, stødte Guth på den manglende brik.

Han introducerede sin forklaring i 1981 og kaldte den inflation. Siden da har teorien fået stor opmærksomhed. I årene efter dets fremkomst er Guths originale papir blevet citeret i mere end 2.000 publikationer, og sidste efterår modtog dets forfatter den prestigefyldte Dirac-medalje, som mange iagttagere betragter som en forløber for en Nobelpris. I dag kalder kosmologer Guths idé for et nyt paradigme, en af ​​det sidste halve århundredes få suverænt indflydelsesrige teorier om universet.

Vejen til opdagelse

Guths kontor er en regnskov af løst papir. Selvom det er rummeligt for en professors udgravninger - to til tre gange størrelsen af ​​de fleste universitetskontorer - er næsten hver eneste tomme af gulv, møbler og vindueskarm fyldt med bøger, stumper papir, manila-mapper og tidsskrifter. Guth, hvis pjuskede hår ofte glider over kanten af ​​hans briller, samler ideer fra disse forskellige kilder og samler de bidder, der vækker hans interesse og pirrer hans fantasi. Efterhånden som han udvikler sine teorier, trækker han også på det, han ved. Guth dannede sit første indtryk af inflationsteorien på netop denne måde: han samlede et væld af teoretiske problemer og kom til at se sammenhænge mellem dem.

Guths teori opstod helt tilfældigt, da han begyndte at væve tidligere usammenhængende forskning med sit eget arbejde. Det hele startede med foredraget, hvor Dicke beskrev det komplekse kosmologiske puslespil relateret til mængden og fordelingen af ​​stof i universet. Kosmologer ved ikke præcist, hvor meget stof der er i universet. Når de taler om mængden, der findes, sammenligner de det med en kritisk tæthed. Denne tæthed svarer til den mængde stof, der skal til, for at et univers kan blive fladt.

På tidspunktet for Dickes foredrag viste videnskabelige observationer, at universet var inden for 10 procent af den kritiske tæthed, men i dag kan kosmologer vise, at universet faktisk er inden for fem procent af det. For at nutidens univers kunne være inden for fem procent af kritisk tæthed, skulle universet have været ekstremt tæt på kritisk et sekund efter big bang. Men i sammenhæng med big bang-teori er der ingen kendt grund til, at universet ville være startet tæt på kritisk tæthed, siger Guth. Denne gåde var blevet døbt fladhedsproblemet.

Guth beskriver en anden måde at tænke det på: Universets tæthed er meget som en blyant, der er balanceret på sin spids. Når den er perfekt afbalanceret, har den kritisk tæthed. Hvis ingen kraft forstyrrer den, forbliver den afbalanceret. Men hvis den skubbes i nogen retning, vil den falde væk fra sit balancepunkt. I en vis forstand er universet tæt på det balancepunkt i dag. Men forskerne vidste ikke nogen grund til, hvorfor blyanten ville være startet lige op. De tog for givet, at tyngdekraften altid tiltrækker - hvilket betyder, at blyanten naturligt vil vælte. Guth ville senere opdage, at der er plausible omstændigheder, hvor tyngdekraften afviser.

Fladhedsproblemet fik Guth til at tænke på det tidlige univers, men det var hans arbejde med magnetiske monopoler - et tilsyneladende ikke-relateret felt, han senere kombinerede med kosmologi - der førte til, hvad der ville blive hans inflationsteori. Monopoler er en teoretisk type magnetisk elementarpartikel med en enkelt ladning. Henry Tye, en stipendiat postdoc ved Cornell, var blevet interesseret i teorier, der forudsagde eksistensen af ​​magnetiske monopoler, og han henvendte sig til Guth for at prøve at bestemme, hvor mange der ville være blevet skabt i big bang, når alle partikler blev anset for at være blevet til. . Først, siger Guth, troede jeg, at det var en skør måde at spilde sin tid på. Men i håb om at skabe sig et navn inden for fysik, sagde han ja til at hjælpe.

Parret udledte til sidst, at universet skulle svømme i monopoler, men det er det ikke. De beregnede også vægten af ​​monopoler og opdagede, at de måtte være meget tunge. Disse resultater var netop den slags bidrag, Guth havde søgt efter, men før han og Tye kunne offentliggøre deres resultater, slog en anden ung forsker dem til bunds.

Så de begyndte at lede efter en anden innovation. De begyndte at spørge, hvordan de kunne ændre teorierne, der forudsiger magnetiske monopoler, for at forklare monopolers fuldstændige fravær. De begrundede, at superkøling-sænkning af temperaturen under frysepunktet uden at inducere frysning i det tidlige univers ville have forhindret monopolerne i at blive produceret. Denne gang offentliggjorde de deres resultater med det samme.

Dernæst foreslog Tye, at de beregnede den effekt, superafkølingen kunne have haft på universets ekspansionshastighed. Jeg gik hjem en aften og lavede det regnestykke, husker Guth. Faktisk påvirker superafkøling universets ekspansionshastighed enormt, siger han og sender universet ind i denne eksponentielle ekspansion, som vi nu kalder inflation. I dette tilfælde, teoretiserede Guth, virker tyngdekraften omvendt.

Guth postulerede, at hele universet startede hundrede milliarder gange mindre end en proton. Universet blev styret af lovene for partikelinteraktion, som videnskabsmænd stadig ikke fuldt ud forstår. Inflationens frastødende tyngdekraft forstørrede det plettede univers på kun en lille brøkdel af en brøkdel af et sekund, hvilket fik væksten til at ligne en eksplosion. Og så smeltede inflationen ind i big bang-teorien.

Efter at have postuleret en så betydningsfuld begivenhed, siger Guth, samme nat, indså jeg, at denne eksponentielle udvidelse ville løse fladhedsproblemet. Og det gjorde mig selvfølgelig enormt begejstret.

laver bølger

Hvordan løser inflation fladhedsproblemet? Guths idé var, at den metaforiske blyant ikke behøvede at starte på sin pointe; i stedet kunne den have startet i en tippet stilling. Hans teori antyder, at tyngdekraften blev vendt om ved skabelsen af ​​universet, så den metaforiske blyant ville blive trukket op fra en vandret position, indtil den stoppede på sin spids. Med andre ord er det ikke nødvendigt at antage, at det tidlige univers begyndte ved kritisk tæthed. Faktisk kunne det være begyndt langt fra det, fordi omvendt tyngdekraft ville få universet til at bevæge sig imod kritisk tæthed.

Inflationen løste et andet problem. Big bang skulle have frembragt et univers med strålingstemperaturer fra varmt til koldt. Men videnskabsmænd havde fundet ud af, at temperaturerne i store skalaer er homogene i hele universet. De var hårdt pressede for at forklare denne homogenitet, da der ikke har været tid nok til, at strålingen udjævnede sig i hele universet. Inflation er årsag til dette såkaldte horisontproblem, fordi homogeniteten i stor skala ville være blevet etableret, da universet stadig var mindre end en proton, og det har simpelthen strakt sig til det, vi ser i dag.

Billede af John MacNeill.

Guths løsninger startede en revolution inden for kosmologi, men hans indledende begejstring blev hurtigt efterfulgt af angst. Han var en ung forsker uden fakultetsudnævnelse, og han var usikker på sin teori. Jeg var meget nervøs for det, fordi jeg følte, at der var for mange ting ved det, som jeg virkelig ikke forstod. Jeg var bange for, at det på en eller anden måde ville sprænge i luften. På trods af sine bekymringer forklarede Guth i begyndelsen af ​​1980 inflationen i en række foredrag for kosmologer rundt om i landet.

Alan udviste usædvanligt mod - især for nogen uden ansættelse eller endda en fakultetsstilling - ved at fremsætte inflation, siger Michael Turner, en astrofysiker ved University of Chicago.

De, der hørte ham, var fascinerede, og snart dukkede tilbud om fakultetsstillinger op, omend ikke fra MIT. Ikke desto mindre ønskede Guth at vende tilbage til sit alma mater, så da en lykkekage fortalte ham, at der ligger en spændende mulighed lige forude, hvis du ikke er for frygtsom, ringede han til MIT og tilbød sig selv som en kunde. Senere samme år kom han til Instituttet som gæstelektor. I dag, som Victor F. Weisskopf-professor i fysik, arbejder han lige nede ad gangen fra sin søn Larry, en kandidatstuderende i matematik. Larry arbejder på det kontor, som hans far besatte som kandidatstuderende, en tilfældighed Guth finder enormt sød.

Nogle af Guths bekymringer om hans teoris gyldighed var ikke ubegrundede. Med hjælp fra Erick Weinberg fra Columbia University opdagede Guth, at hans idé var en smule mangelfuld. Hans forklaring på, hvordan inflation førte til big bang, virkede ikke. Men fordi Guth troede på inflationens betydning, skrev han en artikel, der beskrev både hans teori og dens problemer.

Han skrev et papir, der sagde, jeg synes, det er en meget vigtig idé, men jeg kan vise, at det ikke virker i den form, jeg foreslår,' siger Turner. Han inviterede andre videnskabsmænd til at tænke på inflation og forbedre den. Tre andre kosmologer reagerede på hans udfordring. Den russiske videnskabsmand Andrei Linde og uafhængigt af hinanden kom de amerikanske forskere Paul Steinhardt (Princeton University) og Andreas Albrecht (University of California, Davis) med en modifikation, der undgik fejlen. De kaldte det ny inflation. Guth deler Dirac-medaljen fra 2002 med Linde og Steinhardt.

Inflation er en meget spændende idé, som har trukket fysikere sammen på tværs af en række underdiscipliner, og som har motiveret nogle af de mest spændende eksperimenter i videnskaben i dag, siger Steinhardt. Linde, nu ved Stanford University, siger, at Guths idé hjalp med at ændre moderne kosmologi. Faktisk har det inspireret omkring 30 variationsteorier, der bruger inflation som grundlag.

Kort efter ny inflation blev introduceret, begyndte Guth og seks andre fysikere at studere oprindelsen af ​​tæthedsudsving i den nye model. De forudsagde et mønster af, hvordan disse fluktuationer ville se ud i universets strålingstemperatur. I dag viser satellitter og ballonbaserede eksperimenter, at det mønster, de forudsagde, er bemærkelsesværdigt nøjagtigt. Turner, som studerer denne stråling, siger, at han er overbevist om, at disse målinger i løbet af det næste årti vil give et klart bevis på inflation.

Guth, som er medlem af National Academy of Sciences, bagatelliserer sin rolle i at påvirke retningen af ​​så meget ny forskning. Inflationen ville være opfundet, uanset om jeg havde opfundet den eller ej, siger han. Det var i virkeligheden stort set bare en sammensætning af ideer, som allerede var kendt af den ene eller den anden fysiker. Der var bare en masse chancer involveret i, at jeg kom på ideen.

Men for Turner og utallige andre, der overvejer kosmos, er det klart, at Guths bidrag har givet en nøgle til mange nyere fremskridt, både eksperimentelle og teoretiske. Alans idé om inflation har revolutioneret den måde, kosmologer tænker på universets begyndelse, siger Turner. Efter min mening er det den vigtigste ide siden selve big bang.

skjule