Alan Guth

InflationstheorieBearbeiten

Guths erster Schritt zur Entwicklung seiner Inflationstheorie erfolgte 1978 in Cornell, als er einen Vortrag von Robert Dicke über das Flachheitsproblem des Universums besuchte. Dicke erläuterte, wie das Flachheitsproblem zeigte, dass in der damaligen Urknalltheorie etwas Wichtiges fehlte. Das Schicksal des Universums hing von seiner Dichte ab. Wenn die Dichte des Universums groß genug war, würde es zu einer Singularität kollabieren, und wenn die tatsächliche Dichte der Materie im Kosmos geringer war als die kritische Dichte, würde das Universum immer größer werden.

Das nächste Stück auf Guths Weg kam, als er Anfang 1979 einen Vortrag von Steven Weinberg hörte. Weinberg sprach in zwei Vorträgen über die Grand Unified Theory (GUT), die seit 1974 entwickelt worden war, und wie sie die riesige Menge an Materie im Universum im Vergleich zur Menge an Antimaterie erklären konnte. Die GUT erklärt alle in der Wissenschaft bekannten Grundkräfte mit Ausnahme der Schwerkraft. Sie besagt, dass sich unter sehr heißen Bedingungen, wie sie nach dem Urknall herrschten, der Elektromagnetismus, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft zu einer einzigen Kraft vereinigen. Weinberg war auch derjenige, der die Idee vertrat, dass das Universum beim Übergang von hoher Energie zu niedriger Energie Phasenübergänge durchläuft, die den Phasen der Materie ähneln. Weinbergs Erörterung der Frage, warum die Materie gegenüber der Antimaterie so dominant ist, zeigte Guth, wie präzise Berechnungen über Teilchen durch das Studium der ersten Sekunden des Universums durchgeführt werden konnten.

Guth beschloss, dieses Problem zu lösen, indem er eine Unterkühlung während eines verzögerten Phasenübergangs vorschlug. Dies schien sehr vielversprechend, um das Problem der magnetischen Monopole zu lösen. Als Guth und sein Mitarbeiter Henry Tye auf diese Idee kamen, war Guth bereits für ein Jahr am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Tye schlug vor, dass sie überprüfen sollten, ob die Expansion des Universums durch die Unterkühlung nicht beeinträchtigt würde. Der unterkühlte Zustand ist ein falsches Vakuum: Es ist ein Vakuum in dem Sinne, dass es der Zustand der geringstmöglichen Energiedichte ist; es ist „falsch“, da es kein dauerhafter Zustand ist. Falsche Vakua zerfallen, und Guth stellte fest, dass der Zerfall des falschen Vakuums am Anfang des Universums erstaunlicherweise eine exponentielle Expansion des Raums zur Folge hatte. Dies löste das Monopolproblem, da die Ausdehnung die Monopoldichte proportional reduzierte.

Guth erkannte anhand seiner Theorie, dass der Grund, warum das Universum flach zu sein scheint, darin liegt, dass es sich im Vergleich zu seiner ursprünglichen Größe auf eine so überwältigende Größe ausgedehnt hat. Die Perspektive ist vergleichbar mit der scheinbaren Flachheit der Erde in menschlichem Maßstab, wenn man sie von ihrer Oberfläche aus betrachtet. Das beobachtbare Universum war in Wirklichkeit nur ein sehr kleiner Teil des tatsächlichen Universums. Die traditionelle Urknalltheorie fand Werte von omega nahe 1 rätselhaft, weil jede Abweichung von 1 schnell sehr viel größer werden würde. In der Inflationstheorie nähert sich Omega aufgrund des Ausmaßes der Expansion des Universums dem Wert 1, ganz gleich, wo es beginnt. Eine der wichtigsten Vorhersagen der Inflationstheorie ist, dass Omega genau 1 sein wird.

Zwei Wochen später hörte Guth, wie Kollegen über das so genannte Horizontproblem diskutierten. Die von Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson entdeckte Mikrowellen-Hintergrundstrahlung erschien extrem gleichförmig, mit fast keiner Abweichung. Dies erschien sehr paradox, denn als die Strahlung etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde, hatte das beobachtbare Universum einen Durchmesser von 90 Millionen Lichtjahren. Es blieb keine Zeit, um von einem Ende des Kosmos zum anderen zu kommunizieren, denn Energie kann sich nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Das Paradoxon wurde, wie Guth bald erkannte, durch die Inflationstheorie aufgelöst. Denn die Inflation begann mit einer viel geringeren Menge an Materie, als der Urknall vorausgesetzt hatte, einer Menge, die so gering war, dass alle Teile miteinander in Kontakt standen. Das Universum blähte sich dann mit einer Geschwindigkeit auf, die dem Milliardenfachen der Lichtgeschwindigkeit entspricht, und die Homogenität blieb ungebrochen. Das Universum nach der Inflation wäre sehr gleichförmig gewesen, auch wenn sich seine Teile nicht mehr gegenseitig beeinflussen konnten.

Guth machte seine Ideen zur Inflation erstmals in einem Seminar am SLAC im Januar 1980 öffentlich. Er ignorierte magnetische Monopole, weil sie auf Annahmen der GUT basierten, die außerhalb des Rahmens des Vortrags lag. Im August 1980 reichte er seine Arbeit mit dem Titel „Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems“ bei der Zeitschrift Physical Review ein. In diesem Aufsatz postulierte Guth, dass die Inflation des Universums erklärt werden könnte, wenn das Universum um 28 Größenordnungen unter die für einen Phasenwechsel erforderlichen kritischen Temperaturen unterkühlt wäre.

Im Dezember 1981 las Guth einen Aufsatz des Moskauer Physikers Andrei Linde, der besagte, dass sich das gesamte Universum innerhalb einer einzigen Blase befindet, so dass nichts durch Wandkollisionen zerstört wird. Diese Schlussfolgerung wurde mit Hilfe eines Higgs-Feldes mit einem Energiegraphen gezogen, der ursprünglich von Sidney Coleman und Erick Weinberg vorgeschlagen worden war. Guth diskutierte dies mit Linde, der unabhängig davon an der Blaseninflation gearbeitet hatte, ohne jedoch das Problem der Flachheit zu berücksichtigen. Linde und Guth tauschten schließlich Papiere zu diesem Thema aus.

Bis 1983 hatte Guth ein Papier veröffentlicht, in dem er beschrieb, dass sein Szenario eines unterkühlten Universums nicht ideal sei, da der „Auslösemechanismus“ zum Verlassen eines solchen Zustands eine „extreme Feinabstimmung der Parameter“ erfordern würde, und er eine natürlichere Lösung für erforderlich hielt. Dies hielt ihn jedoch nicht von der Überzeugung ab, dass sich das Universum in seiner frühen Lebenszeit in einem Vakuum exponentiell ausdehnte.