Alan Guth

InflatietheorieEdit

Guths eerste stap naar de ontwikkeling van zijn inflatietheorie vond plaats op Cornell in 1978, toen hij een lezing bijwoonde van Robert Dicke over het vlakheidsprobleem van het heelal. Dicke legde uit hoe het probleem van de platheid aantoonde dat er op dat moment iets belangrijks ontbrak aan de Big Bang theorie. Het lot van het heelal hing af van zijn dichtheid. Als de dichtheid van het heelal groot genoeg was, zou het ineenstorten tot een singulariteit, en als de werkelijke dichtheid van de materie in de kosmos lager was dan de kritische dichtheid, zou het heelal steeds veel groter worden.

Het volgende deel op het pad van Guth kwam toen hij begin 1979 een lezing hoorde van Steven Weinberg. Weinberg sprak in twee lezingen over de Grand Unified Theory (GUT) die sinds 1974 was ontwikkeld, en hoe deze de enorme hoeveelheid materie in het heelal kon verklaren in vergelijking met de hoeveelheid antimaterie. De GUT verklaarde alle fundamentele krachten die in de wetenschap bekend zijn, met uitzondering van de zwaartekracht. De GUT stelde vast dat in zeer hete omstandigheden, zoals na de oerknal, elektromagnetisme, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht werden verenigd tot één kracht. Weinberg was ook degene die de nadruk legde op het idee dat het heelal faseovergangen doormaakt, vergelijkbaar met de fasen van materie, wanneer het van hoge energie naar lage energie gaat. Weinberg’s discussie over waarom materie zo dominant is over anti-materie liet Guth zien hoe nauwkeurige berekeningen over deeltjes verkregen konden worden door de eerste paar seconden van het heelal te bestuderen.

Guth besloot dit probleem op te lossen door een onderkoeling voor te stellen tijdens een vertraagde faseovergang. Dit leek veelbelovend voor het oplossen van het magnetische monopool probleem. Tegen de tijd dat Guth en zijn medewerker Henry Tye dit bedachten, was Guth voor een jaar naar het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) gegaan. Tye stelde voor dat zij zouden nagaan of de uitdijing van het heelal niet zou worden beïnvloed door de onderkoeling. De onderkoelde toestand is een vals vacuüm: het is een vacuüm in de zin dat het de toestand is van de laagst mogelijke energiedichtheid; het is “vals” omdat het geen permanente toestand is. Valse vacuüms vervallen, en Guth zou tot de verbazingwekkende ontdekking komen dat het verval van het valse vacuüm aan het begin van het heelal een exponentiële uitdijing van de ruimte zou veroorzaken. Dit loste het monopool probleem op, omdat de uitdijing de monopool dichtheid evenredig vermindert.

Guth realiseerde zich op grond van zijn theorie dat de reden waarom het universum vlak lijkt te zijn, was dat het zich had uitgebreid tot zo’n overweldigende omvang in vergelijking met zijn oorspronkelijke omvang. Het perspectief is analoog aan de schijnbare platheid van de aarde, op menselijke schaal, gezien vanaf haar oppervlak. Het waarneembare heelal was in feite slechts een zeer klein deel van het werkelijke heelal. De traditionele oerknaltheorie vond waarden van omega in de buurt van 1 raadselachtig, omdat elke afwijking van 1 snel veel, veel groter zou worden. In de inflatietheorie zou omega, ongeacht waar het begint, 1 benaderen vanwege de schaal van de uitdijing van het heelal. In feite is een belangrijke voorspelling van de inflatietheorie dat omega precies 1 zal blijken te zijn.

Twee weken later hoorde Guth collega’s discussiëren over iets dat het horizonprobleem werd genoemd. De microgolf achtergrondstraling, ontdekt door Arno Penzias en Robert Woodrow Wilson, leek extreem uniform, met bijna geen variatie. Dit leek zeer paradoxaal omdat toen de straling ongeveer 300.000 jaar na de oerknal vrijkwam, het waarneembare heelal een diameter van 90 miljoen lichtjaar had. Er was geen tijd voor het ene uiteinde van de kosmos om met het andere uiteinde te communiceren, omdat energie niet sneller kan gaan dan de lichtsnelheid. De paradox werd opgelost, zoals Guth al snel besefte, door de inflatietheorie. De inflatie begon met een veel kleinere hoeveelheid materie dan de oerknal had verondersteld, een hoeveelheid zo klein dat alle delen met elkaar in contact zouden zijn geweest. Vervolgens werd het heelal opgeblazen, met een snelheid die overeenkwam met een miljard maal de snelheid van het licht, en de homogeniteit bleef ongebroken. Het heelal na de inflatie zou zeer uniform zijn geweest, ook al waren de delen niet langer in staat om elkaar te beïnvloeden.

Guth maakte zijn ideeën over inflatie voor het eerst openbaar tijdens een seminar bij SLAC in januari 1980. Hij negeerde magnetische monopolen omdat ze gebaseerd waren op veronderstellingen van de GUT, die buiten het bestek van de toespraak viel. In augustus 1980 diende hij zijn paper in, getiteld “Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems” in het tijdschrift Physical Review. In dit artikel postuleerde Guth dat de inflatie van het heelal verklaard zou kunnen worden als het heelal 28 orden van grootte onder de kritische temperaturen die nodig zijn voor een faseverandering, zou zijn onderkoeld.

In december 1981 las Guth een artikel van de Moskouse natuurkundige Andrei Linde waarin hij stelde dat het hele heelal zich binnen slechts één bel bevindt, zodat niets door wandbotsingen wordt vernietigd. Deze conclusie werd getrokken met behulp van een Higgs-veld met een energiegrafiek die oorspronkelijk was voorgesteld door Sidney Coleman en Erick Weinberg. Guth besprak dit met Linde, die onafhankelijk had gewerkt aan belinflatie, maar zonder het vlakheidsprobleem in overweging te nemen. Linde en Guth wisselden uiteindelijk papers uit over dit onderwerp.

In 1983 had Guth een paper gepubliceerd waarin hij beschreef hoe zijn supergekoelde universum scenario niet ideaal was, omdat het “triggering mechanisme” om zo’n toestand te verlaten een “extreme fijnafstemming van parameters” zou vereisen en hij vond dat er een meer natuurlijke oplossing nodig was. Dit weerhield hem er echter niet van te geloven dat het heelal in een vacuüm exponentieel uitdijde in zijn vroege bestaan.