Alan Guth

InflationsteoriRedigera

Guths första steg mot att utveckla sin inflationsteori skedde på Cornell 1978, när han deltog i en föreläsning av Robert Dicke om universums platthetsproblem. Dicke förklarade hur platthetsproblemet visade att något viktigt saknades i den dåvarande Big Bang-teorin. Universums öde berodde på dess densitet. Om universums densitet var tillräckligt stor skulle det kollapsa till en singularitet, och om den faktiska densiteten av materien i kosmos var lägre än den kritiska densiteten skulle universum alltmer bli mycket större.

Nästa del i Guths väg kom när han hörde en föreläsning av Steven Weinberg i början av 1979. Weinberg talade i två föreläsningar om den Grand Unified Theory (GUT) som hade utvecklats sedan 1974, och hur den kunde förklara den enorma mängden materia i universum jämfört med mängden antimateria. GUT förklarade alla fundamentala krafter som är kända inom vetenskapen utom gravitationen. Den fastställde att under mycket heta förhållanden, såsom efter Big Bang, förenades elektromagnetism, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften till en enda kraft. Weinberg var också den som betonade idén att universum genomgår fasövergångar, som liknar materiens faser, när det går från hög energi till låg energi. Weinbergs diskussion om varför materia är så dominerande över antimateria visade Guth hur exakta beräkningar om partiklar kunde erhållas genom att studera universums första sekunder.

Guth bestämde sig för att lösa detta problem genom att föreslå en underkylning under en fördröjd fasövergång. Detta verkade mycket lovande för att lösa problemet med den magnetiska monopolen. När Guth och hans medarbetare Henry Tye kom på detta hade Guth åkt till Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i ett år. Tye föreslog att de skulle kontrollera att universums expansion inte skulle påverkas av superkylningen. Det underkylda tillståndet är ett falskt vakuum: Det är ett vakuum i den meningen att det är tillståndet med lägsta möjliga energitäthet; det är ”falskt” eftersom det inte är ett permanent tillstånd. Falska tomrum avklingar, och Guth skulle finna att förvånansvärt nog skulle avklingningen av det falska vakuumet i början av universum ge upphov till en exponentiell expansion av rymden. Detta löste monopolproblemet, eftersom expansionen proportionellt minskar monopoltätheten.

Guth insåg utifrån sin teori att anledningen till att universum tycks vara platt var att det hade expanderat till en sådan överväldigande storlek i förhållande till sin ursprungliga storlek. Perspektivet är analogt med jordens skenbara planhet, i mänsklig skala, när man ser den från dess yta. Det observerbara universum var i själva verket bara en mycket liten del av det verkliga universum. Den traditionella Big Bang-teorin ansåg att värden på omega nära 1 var förbryllande, eftersom alla avvikelser från 1 snabbt skulle bli mycket, mycket större. I inflationsteorin skulle omega, oavsett var det börjar, närma sig 1 på grund av omfattningen av universums expansion. Faktum är att en viktig förutsägelse i inflationsteorin är att omega kommer att visa sig vara exakt 1.

Två veckor senare hörde Guth kollegor diskutera något som kallas horisontproblemet. Den mikrovågsbakgrundsstrålning som upptäckts av Arno Penzias och Robert Woodrow Wilson verkade extremt enhetlig, med nästan ingen varians. Detta verkade mycket paradoxalt eftersom när strålningen släpptes ut cirka 300 000 år efter Big Bang hade det observerbara universum en diameter på 90 miljoner ljusår. Det fanns ingen tid för den ena änden av kosmos att kommunicera med den andra, eftersom energi inte kan röra sig snabbare än ljusets hastighet. Paradoxen löstes, vilket Guth snart insåg, av inflationsteorin. Eftersom inflationen började med en mycket mindre mängd materia än vad Big Bang hade förutsatt, en mängd som var så liten att alla delar skulle ha varit i kontakt med varandra. Universum blåstes sedan upp, med en hastighet som motsvarade en miljard gånger ljusets hastighet, och homogeniteten förblev obruten. Universum efter inflationen skulle ha varit mycket enhetligt, även om dess delar inte längre kunde påverka varandra.

Guth offentliggjorde först sina idéer om inflation vid ett seminarium vid SLAC i januari 1980. Han ignorerade magnetiska monopoler eftersom de var baserade på antaganden om GUT, som låg utanför talets räckvidd. I augusti 1980 lämnade han in sin artikel med titeln ”Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems” till tidskriften Physical Review. I denna artikel postulerade Guth att universums inflation kunde förklaras om universum var underkylt 28 storleksordningar under de kritiska temperaturer som krävs för en fasförändring.

I december 1981 läste Guth en artikel från Moskvafysikern Andrei Linde som sade att hela universum befinner sig inom bara en bubbla, så ingenting förstörs av väggkollisioner. Denna slutsats gjordes med hjälp av ett Higgsfält med en energigrafik som ursprungligen föreslogs av Sidney Coleman och Erick Weinberg. Guth diskuterade detta med Linde, som oberoende av varandra hade arbetat med bubbelinflation, men utan att beakta platthetsproblemet. Linde och Guth utbytte så småningom artiklar i ämnet.

1983 hade Guth publicerat en artikel där han beskrev hur hans scenario med ett underkylt universum inte var idealiskt, eftersom den ”utlösande mekanismen” för att lämna ett sådant tillstånd skulle kräva en ”extrem finjustering av parametrarna”, och han ansåg att det krävdes en mer naturlig lösning. Detta avskräckte honom dock inte från att tro att universum expanderade exponentiellt i ett vakuum under sin tidiga livstid.