Před Velkým třeskem

Kariéra Alana Gutha byla ve vzduchu. Jako ambiciózní postdoktorand na Cornellově univerzitě v roce 1978 hledal Guth způsob, jak přispět ke svému oboru částicové fyziky, ale jeho výzkum vzbudil malý zájem. Potřeboval také najít stálou práci, aby uživil svou ženu Susan a dítě Larry. Ale ani jeho hledání práce nedopadlo dobře.

Ten podzim získalo trio kosmologů nebo teoretiků raného vesmíru Nobelovu cenu za fyziku. Na akademické půdě i mezi širokou veřejností brzy bzučely diskuse o původu vesmíru a zejména o teorii velkého třesku – myšlence, že vesmír začal výbuchem a že veškerá hmota se od té doby pohybuje směrem ven. Takže když kosmolog přišel promluvit na Cornell, Guth '69, SM '69, PhD '72, si šel poslechnout, co chce říct. Přednášející Robert Dicke hovořil mimo jiné o složitém kosmologickém problému, který vědci nedokázali vyřešit. Rozhodně to vzbudilo můj zájem, říká Guth. Zdálo se, že Dickova přednáška ukazuje na závěr, že tradiční teorie velkého třesku něco důležitého vynechává. O dva roky později, v průběhu svého výzkumu ve zcela jiné oblasti, Guth narazil na chybějící kus.

Své vysvětlení představil v roce 1981 a nazval ho inflace. Od té doby tato teorie vzbudila velkou pozornost. Během let od svého vzniku byl Guthův původní článek citován ve více než 2000 publikacích a loni na podzim jeho autor obdržel prestižní Diracovu medaili, kterou mnozí pozorovatelé považují za předchůdce Nobelovy ceny. Dnes kosmologové nazývají Guthovu myšlenku novým paradigmatem, jednou z mála svrchovaně vlivných teorií vesmíru za poslední půlstoletí.

Cesta k objevu

Guthova kancelář je deštný prales volného papíru. Přestože je prostorná pro profesorské vykopávky – dvakrát až třikrát větší než většina univerzitních kanceláří – téměř každý centimetr podlahy, nábytku a parapetu je poset knihami, útržky papíru, manilskými složkami a časopisy. Guth, jehož huňaté vlasy často kloužou přes obroučky brýlí, shromažďuje nápady z těchto různých zdrojů a dává dohromady kousky, které podněcují jeho zájem a podněcují jeho představivost. Jak rozvíjí své teorie, čerpá také z toho, co zná. Guth vytvořil svou první představu o inflační teorii právě tímto způsobem: shromáždil řadu teoretických problémů a našel mezi nimi souvislosti.

Guthova teorie vznikla zcela náhodou, když začal propojovat dříve nesouvisející výzkumy s vlastní prací. Vše začalo přednáškou, ve které Dicke popsal složitou kosmologickou hádanku související s množstvím a rozložením hmoty ve vesmíru. Kosmologové přesně nevědí, kolik hmoty je ve vesmíru. Když mluví o množství, které existuje, porovnávají ho s kritickou hustotou. Tato hustota odpovídá množství hmoty potřebné k tomu, aby se vesmír stal plochým.

V době Dickovy přednášky vědecká pozorování ukázala, že vesmír se nacházel do 10 procent kritické hustoty, ale dnes mohou kosmologové ukázat, že vesmír je ve skutečnosti do pěti procent od ní. Aby se dnešní vesmír nacházel v rozmezí pěti procent kritické hustoty, musel by být vesmír extrémně blízko kritické sekundě po velkém třesku. Ale v kontextu teorie velkého třesku není znám žádný důvod, proč by vesmír začínal blízko kritické hustotě, říká Guth. Tento hlavolam byl nazván problém plochosti.

Guth popisuje jiný způsob, jak o tom přemýšlet: Hustota vesmíru je podobná tužce vyvážené ve špičce. Když je dokonale vyvážený, má kritickou hustotu. Pokud jej nenaruší žádná síla, zůstane v rovnováze. Ale pokud do něj šťouchnete v libovolném směru, vypadne z bodu rovnováhy. V jistém smyslu je dnes vesmír blízko tohoto bodu rovnováhy. Ale vědci nevěděli žádný důvod, proč by tužka začínala přímo nahoru. Považovali za samozřejmost, že gravitace vždy přitahuje – to znamená, že se tužka přirozeně překlápí. Guth později zjistil, že existují pravděpodobné okolnosti, za kterých gravitace odpuzuje.

Problém plochosti začal Gutha přemýšlet o raném vesmíru, ale byla to jeho práce o magnetických monopolech – zdánlivě nesouvisejícím poli, které později spojil s kosmologií –, která vedla k tomu, co se stalo jeho inflační teorií. Monopoly jsou teoretickým typem magnetických elementárních částic s jedním nábojem. Henry Tye, postdoktorand z Cornellu, se začal zajímat o teorie, které předpovídaly existenci magnetických monopólů, a obrátil se na Gutha, aby se pokusil určit, kolik by jich bylo vytvořeno při velkém třesku, kdy se myslelo, že byly vytvořeny všechny částice. . Zpočátku, říká Guth, jsem si myslel, že je to bláznivý způsob, jak ztrácet čas. Ale stále doufal, že se prosadí ve fyzice, souhlasil s pomocí.

Dvojice nakonec vydedukovala, že vesmír by měl plavat v monopolech, ale není tomu tak. Spočítali také hmotnost monopólů a zjistili, že musí být velmi těžké. Tato zjištění byla přesně tím druhem příspěvku, který Guth hledal, ale než mohli on a Tye publikovat své výsledky, jiný mladý výzkumník je porazil.

Začali tedy hledat další inovaci. Začali se ptát, jak by mohli upravit teorie předpovídající magnetické monopoly, aby vysvětlily úplnou absenci monopolů. Usoudili, že přechlazení – snížení teploty pod bod mrazu bez vyvolání zamrznutí – v raném vesmíru by zabránilo výrobě monopolů. Tentokrát svá zjištění hned zveřejnili.

Dále Tye navrhl, aby vypočítali účinek přechlazení na rychlost rozpínání vesmíru. Jednou v noci jsem šel domů a provedl ten výpočet, vzpomíná Guth. Ve skutečnosti přechlazení skutečně ovlivňuje rychlost rozpínání vesmíru enormně, říká, a posílá vesmír do této exponenciální expanze, kterou nyní nazýváme inflace. V tomto případě, teoretizoval Guth, gravitace funguje obráceně.

Guth předpokládal, že celý vesmír začal sto miliardkrát menší než proton. Vesmír byl ovládán zákony interakce částic, kterým vědci stále plně nerozumí. Odpudivá gravitační síla inflace zvětšila vesmír o velikosti tečky za pouhý zlomek zlomku sekundy, takže růst vypadal jako exploze. A pak se inflace spojila do teorie velkého třesku.

Poté, co jsem předpokládal tak významný jev, říká Guth, téže noci jsem si uvědomil, že tato exponenciální expanze by vyřešila problém plochosti. A to mě samozřejmě nesmírně vzrušovalo.

Vytváření vln

Jak inflace řeší problém plochosti? Guthova myšlenka byla, že metaforická tužka nemusí začínat u svého bodu; místo toho to mohlo začít ve sklopené poloze. Jeho teorie naznačuje, že gravitace byla obrácena při stvoření vesmíru, takže metaforická tužka by byla vytažena z vodorovné polohy, dokud se nezastavila na svém hrotu. Jinými slovy, není nutné předpokládat, že raný vesmír začal v kritické hustotě. Ve skutečnosti to mohlo začít daleko od toho, protože obrácená gravitace by způsobila pohyb vesmíru k kritická hustota.

Inflace vyřešila další problém. Velký třesk měl vytvořit vesmír s teplotami záření v rozmezí od horkého po studené. Ale vědci zjistili, že ve velkém měřítku jsou teploty v celém vesmíru homogenní. Bylo těžké vysvětlit tuto homogenitu, vzhledem k tomu, že nebylo dost času, aby se radiace vyrovnala v celém vesmíru. Inflace odpovídá za tento takzvaný problém horizontu, protože homogenita ve velkém měřítku by vznikla, když byl vesmír ještě menší než proton, a jednoduše se protáhla do toho, co vidíme dnes.

Obrázek John MacNeill.

Guthova řešení odstartovala revoluci v kosmologii, ale jeho počáteční nadšení brzy vystřídala úzkost. Byl to mladý výzkumník bez jmenování na fakultě a svou teorií si nebyl jistý. Byl jsem z toho velmi nervózní, protože jsem měl pocit, že je v tom příliš mnoho věcí, kterým jsem opravdu nerozuměl. Bál jsem se, že to nějak vybouchne. Navzdory svým obavám Guth začátkem roku 1980 vysvětlil inflaci v sérii přednášek pro kosmology po celé zemi.

Alan prokázal neobvyklou odvahu – zvláště pro někoho bez funkčního období nebo dokonce pozice na fakultě – při prosazování inflace, říká Michael Turner, astrofyzik University of Chicago.

Ti, kteří ho slyšeli, byli zaujatí a brzy se objevily nabídky na místa na fakultě, i když ne z MIT. Přesto se Guth chtěl vrátit na svou alma mater, takže když mu sušenka štěstí řekla, že pokud nejste příliš plaší, čeká vás vzrušující příležitost, zavolal na MIT a nabídl se jako potenciální zájemce. Později téhož roku přišel do ústavu jako hostující docent. Dnes, jako profesor fyziky Victor F. Weisskopf, pracuje hned vedle svého syna Larryho, postgraduálního studenta matematiky. Larry pracuje v kanceláři, kterou jeho otec zaměstnával jako postgraduální student, což je náhoda, kterou Guth považuje za nesmírně roztomilou.

Některé Guthovy obavy ohledně platnosti jeho teorie nebyly neopodstatněné. S pomocí Ericka Weinberga z Kolumbijské univerzity Guth zjistil, že jeho nápad byl mírně chybný. Jeho vysvětlení, jak inflace vedla k velkému třesku, nefungovalo. Ale protože Guth věřil v důležitost inflace, napsal článek, který popsal jak jeho teorii, tak její problémy.

Napsal papír, ve kterém řekl: Myslím, že je to velmi důležitá myšlenka, ale mohu ukázat, že ve formě, kterou navrhuji, nefunguje,“ říká Turner. Pozval další vědce, aby přemýšleli o inflaci a zlepšili ji. Na jeho výzvu zareagovali další tři kosmologové. Ruský vědec Andrei Linde a nezávisle na sobě američtí vědci Paul Steinhardt (Princeton University) a Andreas Albrecht (University of California, Davis) přišli s úpravou, která se vyhnula chybě. Říkali tomu nová inflace. Guth sdílí Diracovu medaili z roku 2002 s Lindem a Steinhardtem.

Inflace je velmi vzrušující myšlenka, která spojila fyziky napříč řadou dílčích disciplín a která motivovala některé z nejvíce vzrušujících experimentů ve vědě současnosti, říká Steinhardt. Linde, nyní na Stanfordské univerzitě, říká, že Guthův nápad pomohl změnit moderní kosmologii. Ve skutečnosti inspirovala asi 30 variant – teorií, které jako základ používají inflaci.

Krátce poté, co byla představena nová inflace, Guth a šest dalších fyziků začali studovat původ fluktuací hustoty v novém modelu. Předpověděli vzorec, jak se tyto fluktuace projeví v teplotě záření ve vesmíru. Dnes družice a experimenty založené na balónech ukazují, že vzor, ​​který předpověděli, je pozoruhodně přesný. Turner, který studuje toto záření, říká, že je přesvědčen, že v průběhu příštího desetiletí tato měření poskytnou definitivní důkaz inflace.

Guth, který je členem Národní akademie věd, bagatelizuje svou roli při ovlivňování směru tolika nových výzkumů. Inflace by byla vynalezena, ať už jsem ji vymyslel já nebo ne, říká. Ve skutečnosti to bylo v podstatě jen poskládání myšlenek, které už ten či onen fyzik znal. Při mém nápadu bylo prostě hodně šancí.

Ale Turnerovi a bezpočtu dalších, kteří přemítají o vesmíru, je jasné, že Guthovy příspěvky poskytly klíč k mnoha nedávným pokrokům, experimentálním i teoretickým. Alanova myšlenka inflace změnila způsob, jakým kosmologové uvažují o začátku vesmíru, říká Turner. Podle mého názoru je to nejdůležitější myšlenka od samotného velkého třesku.

skrýt