Alan Guth

Teoria inflacjiEdit

Pierwszy krok Gutha do opracowania swojej teorii inflacji nastąpił w Cornell w 1978 roku, kiedy uczestniczył w wykładzie Roberta Dicke’a na temat problemu płaskości wszechświata. Dicke wyjaśnił, jak problem płaskości pokazał, że w ówczesnej teorii Wielkiego Wybuchu brakowało czegoś istotnego. Los wszechświata zależał od jego gęstości. Jeśli gęstość wszechświata byłaby wystarczająco duża, zapadłby się on w osobliwość, a jeśli rzeczywista gęstość materii w kosmosie byłaby mniejsza niż gęstość krytyczna, wszechświat coraz bardziej by się powiększał.

Kolejna część drogi Gutha nadeszła, gdy usłyszał wykład Stevena Weinberga na początku 1979 roku. Weinberg mówił w dwóch wykładach o Wielkiej Zunifikowanej Teorii (GUT), która była rozwijana od 1974 roku i jak mogła ona wyjaśnić ogromną ilość materii we wszechświecie w porównaniu z ilością antymaterii. GUT wyjaśniała wszystkie podstawowe siły znane nauce z wyjątkiem grawitacji. Ustalił, że w bardzo gorących warunkach, takich jak te po Wielkim Wybuchu, elektromagnetyzm, silna siła jądrowa i słaba siła jądrowa łączą się w jedną siłę. Weinberg był również tym, który podkreślił ideę, że wszechświat przechodzi przez przejścia fazowe, podobne do faz materii, kiedy przechodzi z wysokiej energii do niskiej energii. Dyskusja Weinberga o tym, dlaczego materia jest tak dominująca nad antymaterią pokazała Guthemu, jak precyzyjne obliczenia dotyczące cząstek można uzyskać badając kilka pierwszych sekund wszechświata.

Guth postanowił rozwiązać ten problem sugerując przechłodzenie podczas opóźnionego przejścia fazowego. Wydawało się to bardzo obiecujące dla rozwiązania problemu monopoli magnetycznych. Zanim Guth i jego współpracownik Henry Tye wpadli na ten pomysł, Guth był już od roku w Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Tye zasugerował, by sprawdzić, czy superchłodzenie nie wpłynie na rozszerzanie się wszechświata. Stan przechłodzenia jest fałszywą próżnią: jest próżnią w tym sensie, że jest stanem najniższej możliwej gęstości energii; jest „fałszywy”, ponieważ nie jest stanem trwałym. Fałszywa próżnia ulega rozpadowi i Guth odkrył, że – co zadziwiające – rozpad fałszywej próżni na początku wszechświata spowodowałby wykładnicze rozszerzanie się przestrzeni. To rozwiązało problem monopoli, ponieważ ekspansja proporcjonalnie zmniejsza gęstość monopoli.

Guth zdał sobie sprawę ze swojej teorii, że powodem, dla którego wszechświat wydaje się być płaski jest to, że powiększył się on do tak przytłaczających rozmiarów w porównaniu ze swoim pierwotnym rozmiarem. Perspektywa jest analogiczna do pozornej płaskości Ziemi, w ludzkiej skali, gdy widzimy ją z jej powierzchni. Obserwowalny wszechświat był w rzeczywistości tylko bardzo małą częścią rzeczywistego wszechświata. Tradycyjna teoria Wielkiego Wybuchu uznała wartości omegi bliskie 1 za zastanawiające, ponieważ wszelkie odchylenia od 1 szybko stałyby się dużo, dużo większe. W teorii inflacji, bez względu na to, gdzie omega się zaczyna, zbliża się do 1 ze względu na skalę rozszerzania się wszechświata. W rzeczywistości, głównym przewidywaniem teorii inflacji jest to, że omega będzie wynosić dokładnie 1.

Dwa tygodnie później Guth usłyszał kolegów dyskutujących o czymś, co nazywano problemem horyzontu. Mikrofalowe promieniowanie tła odkryte przez Arno Penziasa i Roberta Woodrowa Wilsona wydawało się niezwykle jednorodne, z prawie zerową wariancją. Wydawało się to bardzo paradoksalne, ponieważ kiedy promieniowanie zostało uwolnione około 300 000 lat po Wielkim Wybuchu, obserwowalny wszechświat miał średnicę 90 milionów lat świetlnych. Nie było czasu, aby jeden koniec kosmosu mógł się komunikować z drugim, poniewa” energia nie mo „e poruszać się szybciej ni” prędkość światła. Paradoks ten został rozwiązany, jak wkrótce uświadomił sobie Guth, przez teorię inflacji. Inflacja rozpoczęła się od znacznie mniejszej ilości materii, niż zakładał Wielki Wybuch, ilości tak małej, że wszystkie części byłyby w kontakcie ze sobą. Wszechświat następnie nadmuchał się z prędkością odpowiadającą miliardowi razy prędkości światła, a jednorodność pozostała nienaruszona. Wszechświat po inflacji byłby bardzo jednorodny, nawet jeśli jego części nie byłyby już w stanie wpływać na siebie nawzajem.

Guth po raz pierwszy upublicznił swoje pomysły na temat inflacji na seminarium w SLAC w styczniu 1980 roku. Zignorował monopole magnetyczne, ponieważ były one oparte na założeniach GUT, co było poza zakresem wystąpienia. W sierpniu 1980 roku złożył pracę zatytułowaną „Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems” do czasopisma Physical Review. W pracy tej Guth postulował, że inflację wszechświata można by wyjaśnić, gdyby wszechświat był przechłodzony o 28 rzędów wielkości poniżej temperatur krytycznych wymaganych do zmiany fazy.

W grudniu 1981 roku Guth przeczytał pracę moskiewskiego fizyka Andrieja Lindego mówiącą, że cały wszechświat znajduje się tylko w jednej bańce, więc nic nie jest niszczone przez zderzenia ścian. Wniosek ten został wyciągnięty na podstawie pola Higgsa z wykresem energii, który został pierwotnie zaproponowany przez Sidneya Colemana i Ericka Weinberga. Guth przedyskutował to z Linde, który niezależnie pracował nad inflacją bąbelkową, ale nie brał pod uwagę problemu płaskości. Linde i Guth ostatecznie wymienili się pracami na ten temat.

Do 1983 roku Guth opublikował pracę opisującą jak jego scenariusz superchłodzonego wszechświata nie był idealny, ponieważ „mechanizm wyzwalający” wyjście z takiego stanu wymagałby „ekstremalnego dostrojenia parametrów” i czuł, że wymagane jest bardziej naturalne rozwiązanie. Nie powstrzymało go to jednak od przekonania, że wszechświat rozszerzał się wykładniczo w próżni we wczesnym okresie swojego istnienia.

.