Alan Guth

Inflációs elméletSzerkesztés

Guth első lépése az infláció elméletének kidolgozása felé 1978-ban történt a Cornellben, amikor részt vett Robert Dicke előadásán a világegyetem laposságának problémájáról. Dicke elmagyarázta, hogy a lapossági probléma megmutatta, hogy valami lényeges hiányzik az akkori ősrobbanás-elméletből. Az univerzum sorsa a sűrűségétől függött. Ha a világegyetem sűrűsége elég nagy lenne, akkor szingularitássá omlana össze, és ha a kozmoszban lévő anyag tényleges sűrűsége kisebb lenne a kritikus sűrűségnél, akkor a világegyetem egyre nagyobb lenne.”

A következő szakasz Guth útjában akkor következett, amikor 1979 elején meghallgatta Steven Weinberg előadását. Weinberg két előadásban beszélt az 1974 óta kidolgozott Nagy Egyesített Elméletről (Grand Unified Theory, GUT), és arról, hogyan magyarázza meg az univerzumban lévő hatalmas mennyiségű anyagot az antianyag mennyiségéhez képest. A GUT megmagyarázta a tudományban ismert összes alapvető erőt, kivéve a gravitációt. Megállapította, hogy nagyon forró körülmények között, mint például az ősrobbanás után, az elektromágnesesség, az erős magerő és a gyenge magerő egyetlen erővé egyesül. Weinberg volt az is, aki hangsúlyozta azt az elképzelést, hogy a világegyetem az anyag fázisaihoz hasonló fázisátmeneteken megy keresztül, amikor magas energiából alacsony energiába kerül. Weinberg értekezése arról, hogy miért olyan domináns az anyag az antianyaggal szemben, megmutatta Guthnak, hogy az univerzum első néhány másodpercének tanulmányozásával hogyan lehet pontos számításokat kapni a részecskékről.

Guth úgy döntött, hogy megoldja ezt a problémát azzal, hogy egy késleltetett fázisátmenet során szuperhűtést javasol. Ez nagyon ígéretesnek tűnt a mágneses monopólus probléma megoldására. Mire Guth és munkatársa, Henry Tye előállt ezzel, Guth egy évre a Stanford Lineáris Gyorsító Központba (SLAC) ment. Tye azt javasolta, hogy ellenőrizzék, hogy a világegyetem tágulását nem befolyásolja-e a szuperhűtés. A szuperhűtött állapot egy hamis vákuum: abban az értelemben vákuum, hogy ez a lehető legkisebb energiasűrűségű állapot; “hamis”, mivel nem állandó állapot. A hamis vákuum bomlik, és Guth meglepő módon azt találná, hogy a világegyetem kezdetén a hamis vákuum bomlása a tér exponenciális tágulását eredményezi. Ez megoldotta a monopólusproblémát, mivel a tágulás arányosan csökkenti a monopólus sűrűségét.

Guth az elméletéből rájött, hogy a világegyetem azért tűnik laposnak, mert az eredeti méretéhez képest olyan elsöprő méretűre tágult. A perspektíva analóg a Föld látszólagos laposságával, emberi léptékben, a felszínéről nézve. A megfigyelhető világegyetem valójában csak egy nagyon kis része volt a tényleges világegyetemnek. A hagyományos ősrobbanás-elmélet rejtélyesnek találta az omega 1 közeli értékeit, mert az 1-től való bármilyen eltérés gyorsan sokkal, de sokkal nagyobbá válna. Az inflációs elméletben, függetlenül attól, hogy hol kezdődik az omega, az univerzum tágulásának mértéke miatt megközelítené az 1-et. Valójában az inflációs elmélet egyik fő jóslata az, hogy az omega pontosan 1 lesz.

Két héttel később Guth hallotta, hogy a kollégái egy úgynevezett horizontproblémáról beszélgetnek. Az Arno Penzias és Robert Woodrow Wilson által felfedezett mikrohullámú háttérsugárzás rendkívül egyenletesnek tűnt, szinte semmilyen szórással. Ez nagyon paradoxnak tűnt, mert amikor a sugárzás körülbelül 300 000 évvel az ősrobbanás után megjelent, a megfigyelhető világegyetem átmérője 90 millió fényév volt. Nem volt idő arra, hogy a kozmosz egyik vége kommunikáljon a másik végével, mert az energia nem tud a fénysebességnél gyorsabban mozogni. A paradoxont – amint arra Guth hamarosan rájött – az inflációs elmélet oldotta fel. Mivel az infláció sokkal kisebb anyagmennyiséggel kezdődött, mint amennyit az ősrobbanás feltételezett, olyan kis mennyiséggel, hogy minden része kapcsolatba került volna egymással. A világegyetem ezután felfúvódott, a fénysebesség milliárdszorosának megfelelő sebességgel, és a homogenitás töretlen maradt. A világegyetem a felfúvódás után nagyon egységes lett volna, még akkor is, ha részei már nem tudtak volna egymásra hatni.”

Guth először 1980 januárjában, a SLAC-ben tartott szemináriumon hozta nyilvánosságra az inflációval kapcsolatos elképzeléseit. A mágneses monopólusokat figyelmen kívül hagyta, mert azok a GUT feltételezésein alapultak, ami az előadás keretein kívül esett. 1980 augusztusában benyújtotta az “Inflációs univerzum: A horizont és a laposság problémáinak lehetséges megoldása” címmel a Physical Review című folyóiratba. Ebben a dolgozatban Guth azt posztulálta, hogy a világegyetem inflációja megmagyarázható lenne, ha a világegyetem 28 nagyságrenddel a fázisátalakuláshoz szükséges kritikus hőmérséklet alatt szuperhűlne.

1981 decemberében Guth elolvasta Andrej Linde moszkvai fizikustól egy tanulmányt, amelyben az állt, hogy az egész világegyetem egyetlen buborékon belül van, tehát a falak ütközéseiben semmi sem semmisül meg. Ezt a következtetést egy Higgs-mező energiagráfjával tette, amelyet eredetileg Sidney Coleman és Erick Weinberg javasolt. Guth ezt megvitatta Lindével, aki ettől függetlenül már dolgozott a buborék-infláción, de anélkül, hogy figyelembe vette volna a laposság problémáját. Linde és Guth végül papírokat cseréltek a témában.

1983-ra Guth publikált egy tanulmányt, amelyben leírta, hogy az ő szuperhűtött univerzum forgatókönyve nem ideális, mivel az ilyen állapotból való kilépéshez szükséges “kiváltó mechanizmus” “a paraméterek extrém finomhangolását” igényelné, és úgy érezte, hogy egy természetesebb megoldásra van szükség. Ez azonban nem tántorította el attól a meggyőződésétől, hogy a világegyetem a korai életében exponenciálisan tágult a vákuumban.