Przed Wielkim Wybuchem

Kariera Alana Gutha wisiała w powietrzu. Jako ambitny staż podoktorski na Cornell University w 1978 roku, Guth szukał sposobu na wniesienie wkładu w swoją dziedzinę fizyki cząstek elementarnych, ale jego badania nie wzbudziły większego zainteresowania. Musiał także znaleźć stałą pracę, aby utrzymać swoją żonę Susan i małego Larry'ego. Ale jego poszukiwanie pracy też nie poszło dobrze.

Tej jesieni trio kosmologów, czyli teoretyków wczesnego wszechświata, zdobyło Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Wkrótce dyskusje o pochodzeniu wszechświata, a zwłaszcza teorii Wielkiego Wybuchu – idei, że wszechświat zaczął się od eksplozji i że cała materia od tamtej pory przemieszcza się na zewnątrz – rozbrzmiały w salach akademickich i wśród ogółu społeczeństwa. Więc kiedy kosmolog przyszedł przemawiać w Cornell, Guth ‘69, SM ‘69, PhD ‘72, poszedł posłuchać, co miał do powiedzenia. Wykładowca Robert Dicke mówił między innymi o złożonym problemie kosmologicznym, którego naukowcy nie byli w stanie rozwiązać. Z pewnością wzbudziło to moje zainteresowanie, mówi Guth. Wykład Dicke'a zdawał się wskazywać na wniosek, że tradycyjna teoria wielkiego wybuchu pomija coś ważnego. Dwa lata później, w trakcie swoich badań w zupełnie innej dziedzinie, Guth natknął się na brakujący element.

Przedstawił swoje wyjaśnienie w 1981 roku, nazywając je inflacją. Od tego czasu teoria zyskała wiele uwagi. W ciągu lat od ukazania się oryginalny artykuł Gutha był cytowany w ponad 2000 publikacji, a jesienią ubiegłego roku jego autor otrzymał prestiżowy Medal Diraca, który wielu obserwatorów uważa za prekursora Nagrody Nobla. Dzisiaj kosmolodzy nazywają pomysł Gutha nowym paradygmatem, jedną z niewielu najbardziej wpływowych teorii wszechświata ostatniego półwiecza.

Droga do odkrycia

Biuro Gutha to deszczowy las luźnego papieru. Chociaż jak na pracownię profesora jest przestronna — dwa do trzech razy większa niż większość biur uniwersyteckich — prawie każdy centymetr podłogi, mebli i parapetu jest zaśmiecony książkami, skrawkami papieru, teczkami i czasopismami. Guth, którego rozczochrane włosy często opadają na oprawki okularów, zbiera pomysły z tych różnych źródeł, składa w całość elementy, które wzbudzają jego zainteresowanie i pobudzają wyobraźnię. Rozwijając swoje teorie, czerpie także z tego, co wie. Guth po raz pierwszy sformułował teorię inflacji w ten sposób: zebrał mnóstwo problemów teoretycznych i dostrzegł między nimi powiązania.

Teoria Gutha pojawiła się całkiem przypadkowo, gdy zaczął wplatać niezwiązane wcześniej badania z własną pracą. Wszystko zaczęło się od wykładu, w którym Dicke opisał złożoną kosmologiczną zagadkę związaną z ilością i rozmieszczeniem materii we wszechświecie. Kosmolodzy nie wiedzą dokładnie, ile materii jest we wszechświecie. Kiedy mówią o ilości, która istnieje, porównują ją z gęstością krytyczną. Ta gęstość odpowiada ilości materii potrzebnej, aby wszechświat stał się płaski.

W czasie wykładu Dicke'a obserwacje naukowe wykazały, że wszechświat znajdował się w granicach 10 procent gęstości krytycznej, ale dzisiaj kosmolodzy mogą wykazać, że wszechświat jest w rzeczywistości w granicach pięciu procent. Aby dzisiejszy wszechświat mieścił się w granicach pięciu procent gęstości krytycznej, musiałby być niezwykle bliski krytycznej w sekundę po Wielkim Wybuchu. Ale w kontekście teorii Wielkiego Wybuchu nie ma znanego powodu, dla którego wszechświat miałby rozpocząć się blisko gęstości krytycznej, mówi Guth. Ta zagadka została nazwana problemem płaskości.

Guth opisuje inny sposób myślenia o tym: gęstość wszechświata jest podobna do ołówka wyważonego na jego czubku. Kiedy jest doskonale wyważony, ma gęstość krytyczną. Jeśli żadna siła go nie zakłóca, pozostaje w równowadze. Ale jeśli zostanie popchnięty w dowolnym kierunku, wypadnie z punktu równowagi. W pewnym sensie wszechświat jest dziś blisko tego punktu równowagi. Ale naukowcy nie znali żadnego powodu, dla którego ołówek miałby zacząć się od razu. Przyjęli za pewnik fakt, że grawitacja zawsze się przyciąga – co oznaczało, że ołówek naturalnie się przechyla. Guth odkrył później, że istnieją prawdopodobne okoliczności, w których grawitacja się odpycha.

Problem płaskości sprawił, że Guth zaczął myśleć o wczesnym wszechświecie, ale to jego praca nad monopolami magnetycznymi – pozornie niepowiązanym polem, które później połączył z kosmologią – doprowadziła do tego, co stało się jego teorią inflacji. Monopole to teoretyczny typ magnetycznej cząstki elementarnej o pojedynczym ładunku. Henry Tye, stypendysta Cornell, zainteresował się teoriami, które przewidywały istnienie monopoli magnetycznych, i zwrócił się do Gutha, aby spróbować określić, ile cząstek zostałoby stworzonych w Wielkim Wybuchu, kiedy uważano, że wszystkie cząstki zostały stworzone. . Na początku, mówi Guth, myślałem, że to szalony sposób na marnowanie czasu. Ale wciąż mając nadzieję na wyrobienie sobie nazwiska w fizyce, zgodził się pomóc.

Para ostatecznie wywnioskowała, że ​​wszechświat powinien pływać w monopolach, ale tak nie jest. Obliczyli również wagę monopoli i odkryli, że muszą być bardzo ciężkie. Te odkrycia były właśnie tego rodzaju wkładem, którego szukał Guth, ale zanim on i Tye mogli opublikować swoje wyniki, inny młody badacz pokonał ich.

Zaczęli więc szukać kolejnej innowacji. Zaczęli pytać, w jaki sposób mogliby zmodyfikować teorie przewidujące monopole magnetyczne, aby wyjaśnić całkowity brak monopoli. Doszli do wniosku, że przechłodzenie — obniżenie temperatury poniżej punktu zamarzania bez wywoływania zamarzania — we wczesnym wszechświecie zapobiegłoby powstawaniu monopoli. Tym razem natychmiast opublikowali swoje odkrycia.

Następnie Tye zasugerował, aby obliczyli wpływ przechłodzenia na tempo ekspansji wszechświata. Pewnej nocy wróciłem do domu i wykonałem te obliczenia, wspomina Guth. W rzeczywistości przechłodzenie ma ogromny wpływ na tempo ekspansji wszechświata, mówi, wysyłając wszechświat w tę wykładniczą ekspansję, którą teraz nazywamy inflacją. W tym przypadku, jak teoretyzował Guth, grawitacja działa odwrotnie.

Guth postulował, że cały wszechświat zaczynał się sto miliardów razy mniejszy niż proton. Wszechświatem rządziły prawa interakcji cząstek, których naukowcy wciąż nie do końca rozumieją. Odpychająca siła grawitacyjna inflacji powiększyła wszechświat wielkości drobiny w zaledwie ułamek sekundy, sprawiając, że wzrost wyglądał jak eksplozja. A potem inflacja połączyła się w teorię Wielkiego Wybuchu.

Po postulowaniu tak doniosłego zdarzenia, mówi Guth, tej samej nocy zdałem sobie sprawę, że ta wykładnicza ekspansja rozwiąże problem płaskości. I to oczywiście bardzo mnie podekscytowało.

Robienie fal

Jak inflacja rozwiązuje problem płaskości? Pomysł Gutha polegał na tym, że metaforyczny ołówek nie musi zaczynać się od punktu; zamiast tego mógł zacząć w pozycji przechylonej. Jego teoria sugeruje, że grawitacja została odwrócona podczas tworzenia wszechświata, więc metaforyczny ołówek był wyciągany z pozycji poziomej, aż zatrzymał się w swoim czubku. Innymi słowy, nie trzeba zakładać, że wczesny wszechświat rozpoczął się w gęstości krytycznej. W rzeczywistości mogło się to zacząć daleko od tego, ponieważ odwrotna grawitacja spowodowałaby ruch wszechświata w kierunku gęstość krytyczna.

Inflacja rozwiązała kolejny problem. Wielki Wybuch powinien był stworzyć wszechświat o temperaturach promieniowania od gorącego do zimnego. Ale naukowcy odkryli, że w dużej skali temperatury są jednorodne w całym wszechświecie. Trudno im było wyjaśnić tę jednorodność, biorąc pod uwagę, że nie było wystarczająco dużo czasu, aby promieniowanie wyrównało się w całym wszechświecie. Inflacja wyjaśnia ten tak zwany problem horyzontu, ponieważ jednorodność na dużą skalę zostałaby ustanowiona, gdy wszechświat był jeszcze mniejszy niż proton, i po prostu rozciągnął się do tego, co widzimy dzisiaj.

Zdjęcie autorstwa Johna MacNeilla.

Rozwiązania Gutha zapoczątkowały rewolucję w kosmologii, ale po początkowym podekscytowaniu wkrótce pojawił się niepokój. Był młodym naukowcem bez mianowania na wydział i nie był pewien swojej teorii. Byłem bardzo zdenerwowany, ponieważ czułem, że jest w nim zbyt wiele rzeczy, których tak naprawdę nie rozumiem. Bałem się, że jakoś wybuchnie. Pomimo swoich obaw, na początku 1980 roku Guth wyjaśnił inflację w serii wykładów dla kosmologów w całym kraju.

Alan wykazał się niezwykłą odwagą – zwłaszcza jak na kogoś bez etatu, a nawet stanowiska wydziału – w wywoływaniu inflacji – mówi Michael Turner, astrofizyk z University of Chicago.

Ci, którzy go słyszeli, byli zaintrygowani i wkrótce pojawiły się oferty na stanowiska wydziałowe, choć nie z MIT. Niemniej jednak Guth chciał wrócić do swojej macierzystej uczelni, więc kiedy ciasteczko z wróżbą poinformowało go, że czeka go ekscytująca okazja, jeśli nie jesteś zbyt nieśmiały, zadzwonił do MIT i zaproponował siebie jako perspektywę. W tym samym roku przybył do Instytutu jako wizytujący profesor nadzwyczajny. Dziś, jako profesor fizyki Victora F. Weisskopfa, pracuje tuż obok swojego syna Larry'ego, absolwenta matematyki. Larry pracuje w gabinecie, który jego ojciec zajmował jako doktorant. Zbieg okoliczności, który Guth uważa za niezwykle uroczy.

Niektóre obawy Gutha dotyczące słuszności jego teorii nie były bezpodstawne. Z pomocą Ericka Weinberga z Columbia University Guth odkrył, że jego pomysł był nieco błędny. Jego wyjaśnienie sposobu, w jaki inflacja doprowadziła do wielkiego wybuchu, nie zadziałało. Ale ponieważ Guth wierzył w znaczenie inflacji, napisał artykuł, w którym opisał zarówno jego teorię, jak i jej problemy.

Napisał artykuł, w którym napisał: Myślę, że to bardzo ważny pomysł, ale mogę pokazać, że nie działa w formie, którą proponuję” – mówi Turner. Zaprosił innych naukowców, aby pomyśleli o inflacji i poprawili ją. Trzech innych kosmologów odpowiedziało na jego wyzwanie. Rosyjski naukowiec Andrei Linde i niezależnie amerykańscy badacze Paul Steinhardt (Princeton University) i Andreas Albrecht (University of California, Davis) opracowali modyfikację, która pozwoliła uniknąć wady. Nazwali to nową inflacją. Guth dzieli Medal Diraca 2002 z Linde i Steinhardt.

Inflacja jest bardzo ekscytującym pomysłem, który połączył fizyków z różnych poddyscyplin i który zmotywował niektóre z najbardziej ekscytujących eksperymentów w dzisiejszej nauce, mówi Steinhardt. Linde, obecnie na Uniwersytecie Stanforda, mówi, że pomysł Gutha pomógł zmienić współczesną kosmologię. W rzeczywistości zainspirował około 30 odmian-teorii, które wykorzystują inflację jako podstawę.

Wkrótce po wprowadzeniu nowej inflacji Guth i sześciu innych fizyków rozpoczęli badanie pochodzenia fluktuacji gęstości w nowym modelu. Przewidywali wzór, w jaki sposób te fluktuacje będą wyglądały w temperaturze promieniowania we Wszechświecie. Dzisiejsze satelity i eksperymenty balonowe pokazują, że przewidywany przez nie wzór jest niezwykle dokładny. Turner, który bada to promieniowanie, mówi, że jest przekonany, że w ciągu następnej dekady te pomiary dostarczą definitywnego dowodu na inflację.

Guth, który jest członkiem Narodowej Akademii Nauk, bagatelizuje swoją rolę w wpływaniu na kierunek tak wielu nowych badań. Inflacja zostałaby wynaleziona, niezależnie od tego, czy ja ją wymyśliłem, czy nie, mówi. Tak naprawdę było to po prostu złożenie w całość pomysłów, które były już znane jednemu lub drugiemu fizykowi. Istniało po prostu wiele okazji, które wiązały się z moim pomysłem.

Ale dla Turnera i niezliczonych innych, którzy zastanawiają się nad kosmosem, jest jasne, że wkład Gutha dostarczył klucza do wielu ostatnich postępów, zarówno eksperymentalnych, jak i teoretycznych. Idea inflacji Alana zrewolucjonizowała sposób myślenia kosmologów o początkach wszechświata, mówi Turner. Moim zdaniem jest to najważniejszy pomysł od samego Wielkiego Wybuchu.

ukryć