Alan Guth

Teoria inflazionisticaModifica

Il primo passo di Guth per sviluppare la sua teoria dell’inflazione avvenne alla Cornell nel 1978, quando assistette a una conferenza di Robert Dicke sul problema della piattezza dell’universo. Dicke spiegò come il problema della piattezza mostrasse che qualcosa di significativo mancava alla teoria del Big Bang dell’epoca. Il destino dell’universo dipendeva dalla sua densità. Se la densità dell’universo era abbastanza grande, sarebbe collassato in una singolarità, e se la densità effettiva della materia nel cosmo era inferiore alla densità critica, l’universo sarebbe diventato sempre più grande.

La parte successiva nel percorso di Guth venne quando ascoltò una conferenza di Steven Weinberg all’inizio del 1979. Weinberg parlò in due conferenze della Grande Teoria Unificata (GUT) che era stata sviluppata dal 1974, e come poteva spiegare l’enorme quantità di materia nell’universo rispetto alla quantità di antimateria. La GUT spiegava tutte le forze fondamentali conosciute dalla scienza, tranne la gravità. Ha stabilito che in condizioni molto calde, come quelle dopo il Big Bang, l’elettromagnetismo, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole si sono unite per formare una sola forza. Weinberg fu anche colui che sottolineò l’idea che l’universo passa attraverso transizioni di fase, simili alle fasi della materia, quando si passa dall’alta energia alla bassa energia. La discussione di Weinberg sul perché la materia sia così dominante sull’antimateria mostrò a Guth come si potessero ottenere calcoli precisi sulle particelle studiando i primi secondi dell’universo.

Guth decise di risolvere questo problema suggerendo un superraffreddamento durante una transizione di fase ritardata. Questo sembrava molto promettente per risolvere il problema del monopolo magnetico. Quando Guth e il suo collaboratore Henry Tye arrivarono a questa soluzione, Guth era andato per un anno allo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Tye suggerì loro di verificare che l’espansione dell’universo non sarebbe stata influenzata dal superraffreddamento. Lo stato superraffreddato è un falso vuoto: è un vuoto nel senso che è lo stato della più bassa densità di energia possibile; è “falso” perché non è uno stato permanente. I falsi vuoti decadono, e Guth avrebbe scoperto che, sorprendentemente, il decadimento del falso vuoto all’inizio dell’universo avrebbe prodotto un’espansione esponenziale dello spazio. Questo risolveva il problema del monopolo, poiché l’espansione riduce proporzionalmente la densità del monopolo.

Guth si rese conto dalla sua teoria che la ragione per cui l’universo sembra essere piatto era che si era ingrandito a una dimensione così schiacciante rispetto alla sua dimensione originale. La prospettiva è analoga all’apparente piattezza della Terra, su scala umana, se vista dalla sua superficie. L’universo osservabile era in realtà solo una parte molto piccola dell’universo reale. La teoria tradizionale del Big Bang trovava sconcertanti i valori di omega vicini a 1, perché qualsiasi deviazione da 1 sarebbe diventata rapidamente molto, molto più grande. Nella teoria dell’inflazione, non importa dove inizia omega, si avvicinerebbe a 1 a causa della scala dell’espansione dell’universo. Infatti, una delle principali previsioni della teoria dell’inflazione è che omega sarà trovato esattamente a 1.

Due settimane dopo, Guth sentì i colleghi discutere qualcosa chiamato il problema dell’orizzonte. La radiazione di fondo a microonde scoperta da Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson appariva estremamente uniforme, con una varianza quasi nulla. Questo sembrava molto paradossale perché quando la radiazione fu rilasciata circa 300.000 anni dopo il Big Bang, l’universo osservabile aveva un diametro di 90 milioni di anni luce. Non c’era tempo per un’estremità del cosmo di comunicare con l’altra estremità, perché l’energia non può muoversi più velocemente della velocità della luce. Il paradosso fu risolto, come Guth si rese conto presto, dalla teoria dell’inflazione. Poiché l’inflazione iniziò con una quantità di materia molto più piccola di quella che il Big Bang aveva presupposto, una quantità così piccola che tutte le parti sarebbero state in contatto tra loro. L’universo si è poi gonfiato, ad una velocità corrispondente ad un miliardo di volte la velocità della luce, e l’omogeneità è rimasta intatta. L’universo dopo l’inflazione sarebbe stato molto uniforme, anche se le sue parti non erano più in grado di influenzarsi a vicenda.

Guth rese pubbliche le sue idee sull’inflazione in un seminario allo SLAC nel gennaio 1980. Ignorò i monopoli magnetici perché si basavano su ipotesi della GUT, che era al di fuori dello scopo del discorso. Nell’agosto 1980, ha presentato il suo documento, intitolato “Universo inflazionario: A possible solution to the horizon and flatness problems” alla rivista Physical Review. In questo articolo Guth ha postulato che l’inflazione dell’universo potrebbe essere spiegata se l’universo fosse superraffreddato 28 ordini di grandezza al di sotto delle temperature critiche richieste per un cambiamento di fase.

Nel dicembre 1981, Guth lesse un articolo del fisico moscovita Andrei Linde che diceva che l’intero universo è all’interno di una sola bolla, quindi nulla viene distrutto dalle collisioni delle pareti. Questa conclusione è stata fatta usando un campo di Higgs con un grafico di energia che è stato originariamente proposto da Sidney Coleman e Erick Weinberg. Guth ne discusse con Linde, che aveva lavorato indipendentemente sull’inflazione delle bolle, ma senza considerare il problema della planarità. Linde e Guth alla fine si scambiarono dei documenti sull’argomento.

Nel 1983, Guth aveva pubblicato un documento che descriveva come il suo scenario di universo super-raffreddato non fosse ideale, poiché il “meccanismo di innesco” per uscire da tale stato avrebbe richiesto “un’estrema messa a punto dei parametri” e sentiva che era necessaria una soluzione più naturale. Tuttavia, questo non lo ha dissuaso dal credere che l’universo si sia espanso esponenzialmente nel vuoto nella sua prima vita.