Alan Guth

InflaatioteoriaEdit

Guthin ensimmäinen askel inflaatioteoriansa kehittämiseksi tapahtui Cornellissa vuonna 1978, kun hän osallistui Robert Dicken luennolle maailmankaikkeuden litteysongelmasta. Dicke selitti, kuinka litteysongelma osoitti, että jotain merkittävää puuttui silloisesta alkuräjähdysteoriasta. Maailmankaikkeuden kohtalo riippui sen tiheydestä. Jos maailmankaikkeuden tiheys olisi tarpeeksi suuri, se romahtaisi singulariteetiksi, ja jos kosmoksen aineen todellinen tiheys olisi pienempi kuin kriittinen tiheys, maailmankaikkeus kasvaisi yhä enemmän ja paljon suuremmaksi.

Seuraava pätkä Guthin tiellä tuli, kun hän kuuli Steven Weinbergin luennon vuoden 1979 alussa. Weinberg puhui kahdessa luennossa vuodesta 1974 lähtien kehitetystä suuresta yhtenäisteoriasta (Grand Unified Theory, GUT) ja siitä, miten se voisi selittää maailmankaikkeuden valtavan aineen määrän verrattuna antimaterian määrään. GUT selitti kaikki tieteen tuntemat perusvoimat painovoimaa lukuun ottamatta. Siinä todettiin, että hyvin kuumissa olosuhteissa, kuten alkuräjähdyksen jälkeen, sähkömagnetismi, vahva ydinvoima ja heikko ydinvoima yhdistyivät yhdeksi voimaksi. Weinberg oli myös se, joka korosti ajatusta, että maailmankaikkeus käy läpi faasisiirtymiä, jotka muistuttavat aineen faaseja, kun se siirtyy korkeasta energiasta matalaan energiaan. Weinbergin keskustelu siitä, miksi aine on niin hallitsevassa asemassa anti-aineeseen nähden, osoitti Guthille, kuinka tarkkoja laskelmia hiukkasista voitaisiin saada tutkimalla maailmankaikkeuden ensimmäisiä sekunteja.

Guth päätti ratkaista tämän ongelman ehdottamalla alijäähtymistä viivästyneen faasimuutoksen aikana. Tämä vaikutti hyvin lupaavalta magneettisen monopoliongelman ratkaisemiseksi. Kun Guth ja hänen yhteistyökumppaninsa Henry Tye keksivät tämän, Guth oli mennyt vuodeksi Stanfordin lineaarikiihdytyskeskukseen (SLAC). Tye ehdotti, että he tarkistaisivat, ettei alijäähtyminen vaikuttaisi maailmankaikkeuden laajenemiseen. Alijäähtynyt tila on väärä tyhjiö: Se on tyhjiö siinä mielessä, että se on pienimmän mahdollisen energiatiheyden tila; se on ”väärä”, koska se ei ole pysyvä tila. Väärät tyhjiöt hajoavat, ja Guth havaitsisi, että hämmästyttävää kyllä, väärän tyhjiön hajoaminen maailmankaikkeuden alussa tuottaisi avaruuden eksponentiaalisen laajenemisen. Tämä ratkaisi monopoliongelman, koska laajeneminen pienentää suhteellisesti monopolin tiheyttä.

Guth oivalsi teoriansa perusteella, että syy siihen, miksi maailmankaikkeus näyttää litteältä, oli se, että se oli laajentunut niin ylivoimaisen suureksi alkuperäiseen kokoonsa nähden. Näkökulma on analoginen maapallon näennäisen litteyden kanssa ihmisen mittakaavassa sen pinnalta katsottuna. Havaittava maailmankaikkeus oli itse asiassa vain hyvin pieni osa todellisesta maailmankaikkeudesta. Perinteinen alkuräjähdysteoria piti arvoja, joissa omega oli lähellä arvoa 1, hämmentävinä, koska kaikki poikkeamat arvosta 1 muuttuisivat nopeasti paljon, paljon suuremmiksi. Inflaatioteoriassa, riippumatta siitä, mistä omega alkaa, se lähestyisi 1:tä maailmankaikkeuden laajenemisen mittakaavan vuoksi. Itse asiassa eräs inflaatioteorian tärkeimmistä ennusteista on, että omega havaitaan täsmälleen 1:ksi.

Kaksi viikkoa myöhemmin Guth kuuli kollegoidensa keskustelevan jostain, jota kutsutaan horisonttiongelmaksi. Arno Penziasin ja Robert Woodrow Wilsonin löytämä mikroaaltotaustasäteily näytti äärimmäisen tasaiselta, eikä siinä ollut juuri lainkaan vaihtelua. Tämä vaikutti hyvin paradoksaaliselta, sillä kun säteily vapautui noin 300 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, havaittavan maailmankaikkeuden halkaisija oli 90 miljoonaa valovuotta. Kosmoksen toinen pää ei ehtinyt olla yhteydessä toiseen päähän, koska energia ei voi liikkua valonnopeutta nopeammin. Paradoksi ratkaistiin, kuten Guth pian tajusi, inflaatioteorialla. Koska inflaatio alkoi paljon pienemmästä ainemäärästä kuin alkuräjähdyksessä oli oletettu, niin pienestä määrästä, että kaikki osat olisivat olleet yhteydessä toisiinsa. Sen jälkeen maailmankaikkeus inflatoitui vauhdilla, joka vastasi miljardi kertaa valonnopeutta, ja homogeenisuus säilyi ennallaan. Inflaation jälkeinen maailmankaikkeus olisi ollut hyvin yhtenäinen, vaikka sen osat eivät enää kyenneet vaikuttamaan toisiinsa.

Guth julkisti ensimmäisen kerran ajatuksensa inflaatiosta seminaarissa SLAC:ssa tammikuussa 1980. Hän sivuutti magneettiset monopolit, koska ne perustuivat GUT:n oletuksiin, jotka eivät kuuluneet puheen aihepiiriin. Elokuussa 1980 hän toimitti paperinsa otsikolla ”Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems” Physical Review -lehteen. Tässä artikkelissa Guth esitti, että maailmankaikkeuden inflaatio voitaisiin selittää, jos maailmankaikkeus olisi alijäähtynyt 28 kertaluokkaa alle kriittisten lämpötilojen, jotka vaaditaan faasimuutokseen.

Joulukuussa 1981 Guth luki moskovalaisen fyysikon Andrei Linden artikkelin, jossa sanottiin, että koko maailmankaikkeus on vain yhden kuplan sisällä, joten mikään ei tuhoudu seinämäisiin törmäyksiin. Tämä johtopäätös tehtiin käyttämällä Higgsin kenttää, jonka energiakuvaaja oli alun perin Sidney Colemanin ja Erick Weinbergin ehdottama. Guth keskusteli tästä Linden kanssa, joka oli itsenäisesti työskennellyt kuplan inflaation parissa, mutta ottamatta huomioon litteysongelmaa. Linde ja Guth vaihtoivat lopulta papereita aiheesta.

Vuoteen 1983 mennessä Guth oli julkaissut paperin, jossa hän kuvasi, kuinka hänen alijäähtyneen maailmankaikkeuden skenaarionsa ei ollut ihanteellinen, koska ”laukaisumekanismi” tällaisesta tilasta poistumiseksi vaatisi ”parametrien äärimmäistä hienosäätöä”, ja hän katsoi, että tarvittiin luonnollisempi ratkaisu. Tämä ei kuitenkaan estänyt häntä uskomasta, että maailmankaikkeus laajeni eksponentiaalisesti tyhjiössä sen alkuaikana.