Alan Guth

InflationsteoriRediger

Guths første skridt til at udvikle sin teori om inflation fandt sted på Cornell i 1978, da han overværede et foredrag af Robert Dicke om universets fladhedsproblem. Dicke forklarede, hvordan fladhedsproblemet viste, at der manglede noget væsentligt i den daværende Big Bang-teori. Universets skæbne var afhængig af dets tæthed. Hvis universets tæthed var stor nok, ville det kollapse til en singularitet, og hvis den faktiske tæthed af stoffet i kosmos var lavere end den kritiske tæthed, ville universet i stigende grad blive meget større.

Den næste del i Guths vej kom, da han hørte et foredrag af Steven Weinberg i begyndelsen af 1979. Weinberg fortalte i to foredrag om den Grand Unified Theory (GUT), der var blevet udviklet siden 1974, og hvordan den kunne forklare den enorme mængde stof i universet sammenlignet med mængden af antimaterie. GUT forklarede alle de fundamentale kræfter, der er kendt i videnskaben, bortset fra tyngdekraften. Den fastslog, at under meget varme forhold, som f.eks. dem efter Big Bang, blev elektromagnetisme, den stærke kernekraft og den svage kernekraft forenet til én kraft. Weinberg var også den, der fremhævede ideen om, at universet gennemgår faseovergange, der svarer til stoffets faser, når det går fra høj energi til lav energi. Weinbergs diskussion af, hvorfor stof er så dominerende over antistof, viste Guth, hvordan man kunne opnå præcise beregninger om partikler ved at studere de første sekunder af universet.

Guth besluttede at løse dette problem ved at foreslå en underafkøling under en forsinket faseovergang. Dette virkede meget lovende for at løse problemet med den magnetiske monopol. Da Guth og hans samarbejdspartner Henry Tye fandt på dette, havde Guth været på Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i et år. Tye foreslog, at de skulle kontrollere, at universets ekspansion ikke ville blive påvirket af superkølingen. Den superkølede tilstand er et falsk vakuum: Det er et vakuum i den forstand, at det er den tilstand med den lavest mulige energitæthed; det er “falsk”, da det ikke er en permanent tilstand. Falske tomrums tilstand forfalder, og Guth ville finde ud af, at forbløffende nok ville forfaldet af det falske vakuum i universets begyndelse medføre en eksponentiel udvidelse af rummet. Dette løste monopolproblemet, da udvidelsen proportionelt reducerer monopoltætheden.

Guth indså ud fra sin teori, at grunden til, at universet synes at være fladt, var, at det havde udvidet sig til en så overvældende størrelse i forhold til sin oprindelige størrelse. Perspektivet er analogt med jordens tilsyneladende fladhed i menneskelig målestok, når man ser den fra dens overflade. Det observerbare univers var i virkeligheden kun en meget lille del af det faktiske univers. Den traditionelle Big Bang-teori fandt værdier af omega nær 1 for mystiske, fordi enhver afvigelse fra 1 hurtigt ville blive meget, meget større. I inflationsteorien ville omega, uanset hvor omega starter, nærme sig 1 på grund af omfanget af universets udvidelse. Faktisk er en vigtig forudsigelse i inflationsteorien, at omega vil vise sig at være præcis 1.

To uger senere hørte Guth kolleger diskutere noget, der kaldes horisontproblemet. Den mikrobølgebaggrundsstråling, som Arno Penzias og Robert Woodrow Wilson havde opdaget, virkede ekstremt ensartet og næsten uden varians. Dette virkede meget paradoksalt, for da strålingen blev frigivet omkring 300.000 år efter Big Bang, havde det observerbare univers en diameter på 90 millioner lysår. Der var ikke tid til, at den ene ende af kosmos kunne kommunikere med den anden ende, fordi energi ikke kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Paradokset blev løst, som Guth snart indså, af inflationsteorien. Da inflationen startede med en langt mindre mængde stof end Big Bang havde forudsat, en mængde så lille, at alle dele ville have været i kontakt med hinanden. Universet blev derefter oppustet, med en hastighed svarende til en milliard gange lysets hastighed, og homogeniteten forblev ubrudt. Universet efter inflationen ville have været meget ensartet, selv om dets dele ikke længere var i stand til at påvirke hinanden.

Guth offentliggjorde først sine ideer om inflation på et seminar på SLAC i januar 1980. Han ignorerede magnetiske monopoler, fordi de var baseret på antagelser om GUT, som lå uden for talen. I august 1980 indsendte han sin artikel med titlen “Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems” til tidsskriftet Physical Review. I dette papir postulerede Guth, at universets inflation kunne forklares, hvis universet blev underkølet 28 størrelsesordener under de kritiske temperaturer, der kræves for et faseskift.

I december 1981 læste Guth et papir fra Moskva-fysikeren Andrei Linde, der sagde, at hele universet befinder sig inden for blot én boble, så intet bliver ødelagt af vægkollisioner. Denne konklusion blev draget ved hjælp af et Higgs-felt med en energigraf, som oprindeligt blev foreslået af Sidney Coleman og Erick Weinberg. Guth diskuterede dette med Linde, som uafhængigt af hinanden havde arbejdet med bobleinflation, men uden at tage højde for flatness-problemet. Linde og Guth udvekslede til sidst artikler om emnet.

I 1983 havde Guth offentliggjort en artikel, der beskrev, hvordan hans superkølede univers-scenarie ikke var ideelt, da den “udløsende mekanisme” for at forlade en sådan tilstand ville kræve “ekstrem finjustering af parametre”, og han mente, at der var behov for en mere naturlig løsning. Dette afholdte ham dog ikke fra at tro på, at universet ekspanderede eksponentielt i et vakuum i sin tidlige levetid.