Före Big Bang

Alan Guths karriär var i luften. Som en ambitiös postdoc vid Cornell University 1978 letade Guth efter ett sätt att bidra till sitt område av partikelfysik, men hans forskning hade väckt lite intresse. Han behövde också hitta ett fast jobb för att försörja sin fru Susan och babyn Larry. Men hans jobbsökande hade inte heller gått bra.

Den hösten hade en trio av kosmologer, eller tidiga universumsteoretiker, vunnit Nobelpriset i fysik. Snart surrade diskussioner om universums ursprung och särskilt big bang-teorin - tanken att universum började med en explosion och att all materia har rört sig utåt sedan dess - i akademins salar och bland allmänheten. Så när en kosmolog kom för att tala på Cornell, gick Guth '69, SM '69, PhD '72, för att höra vad han hade att säga. Föreläsaren Robert Dicke talade bland annat om ett komplext kosmologiskt problem som forskarna inte hade kunnat lösa. Det väckte verkligen mitt intresse, säger Guth. Dickes föreläsning tycktes peka på slutsatsen att traditionell big-bang-teori utelämnade något viktigt. Två år senare, under loppet av sin forskning inom ett helt annat område, råkade Guth på den saknade biten.

Han presenterade sin förklaring 1981 och kallade den inflation. Sedan dess har teorin fått stor uppmärksamhet. Under åren efter dess framträdande har Guths originaltidning citerats i mer än 2 000 publikationer, och i höstas fick dess författare den prestigefyllda Dirac-medaljen, som många observatörer anser vara en föregångare till ett Nobelpris. Idag kallar kosmologer Guths idé för ett nytt paradigm, en av det senaste halvseklets få ytterst inflytelserika teorier om universum.

Vägen till upptäckt

Guths kontor är en regnskog av löst papper. Även om det är rymligt för en professors utgrävningar - två till tre gånger så stort som de flesta universitetskontor - är nästan varje tum av golv, möbler och fönsterbräda full av böcker, papperslappar, manillapärmar och tidskrifter. Guth, vars lurviga hår ofta glider över kanterna på hans glasögon, samlar ihop idéer från dessa olika källor och plockar ihop de bitar som väcker hans intresse och väcker hans fantasi. När han utvecklar sina teorier, bygger han också på det han vet. Guth bildade sin första aning om inflationsteorin på just detta sätt: han samlade en mängd teoretiska problem och kom att se samband mellan dem.

Guths teori kom till helt av en slump när han började väva tidigare osammanhängande forskning med sitt eget arbete. Allt började med föreläsningen där Dicke beskrev det komplexa kosmologiska pusslet relaterat till mängden och fördelningen av materia i universum. Kosmologer vet inte exakt hur mycket materia som finns i universum. När de pratar om mängden som finns jämför de det med en kritisk densitet. Denna densitet motsvarar mängden materia som behövs för att ett universum ska bli platt.

Vid tidpunkten för Dickes föreläsning visade vetenskapliga observationer att universum var inom 10 procent av den kritiska densiteten, men idag kan kosmologer visa att universum faktiskt är inom fem procent av det. För att dagens universum skulle vara inom fem procent av kritisk densitet, skulle universum ha varit extremt nära kritiskt en sekund efter big bang. Men i samband med big bang-teori finns det ingen känd anledning till varför universum skulle ha börjat nära kritisk densitet, säger Guth. Denna gåta hade kallats planhetsproblemet.

Guth beskriver ett annat sätt att tänka på det: Universums densitet är ungefär som en penna balanserad på sin spets. När den är perfekt balanserad har den kritisk densitet. Om ingen kraft stör den förblir den balanserad. Men om den knuffas i någon riktning kommer den att falla bort från sin balanspunkt. På sätt och vis är universum nära den balanspunkten idag. Men forskarna visste inte någon anledning till varför pennan skulle ha börjat rakt upp. De tog för givet att gravitationen alltid lockar, vilket betyder att pennan naturligtvis tippar. Guth skulle senare upptäcka att det finns rimliga omständigheter där gravitationen stöter bort.

Flathetsproblemet fick Guth att tänka på det tidiga universum, men det var hans arbete med magnetiska monopoler - ett till synes orelaterade fält som han senare kombinerade med kosmologi - som ledde till vad som skulle bli hans inflationsteori. Monopoler är en teoretisk typ av magnetisk elementarpartikel med en enda laddning. Henry Tye, en stipendiat postdoc vid Cornell, hade blivit intresserad av teorier som förutspådde förekomsten av magnetiska monopoler, och han kontaktade Guth för att försöka avgöra hur många som skulle ha skapats i big bang, när alla partiklar ansågs ha skapats . Först, säger Guth, tyckte jag att det var ett galet sätt att slösa bort sin tid. Men i hopp om att göra sig ett namn inom fysik gick han med på att hjälpa till.

Paret drog slutligen slutsatsen att universum borde simma i monopoler, men det är det inte. De beräknade också vikten av monopoler och upptäckte att de måste vara mycket tunga. Dessa fynd var precis den typ av bidrag Guth hade letat efter, men innan han och Tye kunde publicera sina resultat, slog en annan ung forskare dem till stan.

Så de började leta efter en annan innovation. De började fråga hur de kunde modifiera teorierna som förutsäger magnetiska monopoler för att förklara monopolernas fullständiga frånvaro. De resonerade att underkylning - att sänka temperaturen under fryspunkten utan att inducera frysning - i det tidiga universum skulle ha förhindrat monopolerna från att produceras. Den här gången publicerade de sina resultat omedelbart.

Därefter föreslog Tye att de skulle beräkna effekten av underkylningen kan ha haft på universums expansionshastighet. Jag gick hem en kväll och gjorde den där beräkningen, minns Guth. I själva verket påverkar underkylning universums expansionshastighet enormt, säger han och skickar in universum i denna exponentiella expansion, som vi nu kallar inflation. I det här fallet, teoretiserade Guth, fungerar gravitationen omvänt.

Guth postulerade att hela universum började hundra miljarder gånger mindre än en proton. Universum styrdes av lagarna för partikelinteraktion, som forskarna fortfarande inte helt förstår. Inflationens frånstötande gravitationskraft förstorade universum av fläckstorlek på bara en liten bråkdel av en bråkdel av en sekund, vilket fick tillväxten att se ut som en explosion. Och sedan smälte inflationen samman i big bang-teorin.

Efter att ha postulerat en sådan betydelsefull händelse, säger Guth, samma natt, insåg jag att denna exponentiella expansion skulle lösa flathetsproblemet. Och det gjorde mig såklart oerhört upprymd.

Att göra vågor

Hur löser inflationen planhetsproblemet? Guths idé var att den metaforiska pennan inte behövde börja på sin poäng; istället kunde den ha börjat i tippad position. Hans teori antyder att gravitationen var omvänd vid skapandet av universum, så den metaforiska pennan skulle dras upp från en horisontell position tills den stannade på sin spets. Med andra ord är det inte nödvändigt att anta att det tidiga universum började med kritisk densitet. Faktum är att det kunde ha börjat långt ifrån det eftersom omvänd gravitation skulle få universum att röra sig mot kritisk densitet.

Inflationen löste ett annat problem. Big bang borde ha skapat ett universum med strålningstemperaturer som sträcker sig från varmt till kallt. Men forskare hade funnit att temperaturerna i stor skala är homogena i hela universum. De var hårt pressade att förklara denna homogenitet, med tanke på att det inte har funnits tillräckligt med tid för strålningen att jämna ut sig i hela universum. Inflationen står för detta så kallade horisontproblem eftersom den storskaliga homogeniteten skulle ha etablerats när universum fortfarande var mindre än en proton, och den har helt enkelt sträckt sig till vad vi ser idag.

Bild av John MacNeill.

Guths lösningar startade en revolution inom kosmologin, men hans initiala upphetsning följdes snart av ångest. Han var en ung forskare utan fakultetsutnämning, och han var osäker på sin teori. Jag var väldigt nervös för det eftersom jag kände att det var för många saker med det som jag verkligen inte förstod. Jag var rädd att det skulle sprängas på något sätt. Trots sin oro förklarade Guth i början av 1980 inflationen i en serie föreläsningar för kosmologer runt om i landet.

Alan visade ovanligt mod - särskilt för någon utan anställning eller till och med en fakultetsposition - när han lade fram inflation, säger Michael Turner, astrofysiker vid University of Chicago.

De som hörde honom var intresserade, och snart dök det upp erbjudanden om fakultetstjänster, om än inte från MIT. Trots det ville Guth återvända till sitt alma mater, så när en lyckokaka berättade för honom att en spännande möjlighet ligger framför dig om du inte är alltför blyg, ringde han MIT och erbjöd sig själv som en prospekt. Senare samma år kom han till institutet som gästlektor. I dag, som Victor F. Weisskopf-professor i fysik, jobbar han i korridoren från sin son Larry, en doktorand i matematik. Larry arbetar på kontoret som hans far ockuperade som doktorand, en slump som Guth tycker är enormt söt.

Vissa av Guths farhågor om hans teoris giltighet var inte ogrundade. Med hjälp av Erick Weinberg från Columbia University upptäckte Guth att hans idé var något felaktig. Hans förklaring av hur inflationen ledde till big bang fungerade inte. Men eftersom Guth trodde på inflationens betydelse skrev han en artikel som beskrev både hans teori och dess problem.

Han skrev ett papper som sa att jag tycker att det här är en väldigt viktig idé, men jag kan visa att det inte fungerar i den form jag föreslår, säger Turner. Han bjöd in andra forskare att tänka på inflationen och förbättra den. Tre andra kosmologer svarade på hans utmaning. Den ryske forskaren Andrei Linde och, oberoende av varandra, de amerikanska forskarna Paul Steinhardt (Princeton University) och Andreas Albrecht (University of California, Davis) kom med en modifiering som undvek felet. De kallade det ny inflation. Guth delar Dirac-medaljen 2002 med Linde och Steinhardt.

Inflation är en mycket spännande idé som har sammanfört fysiker över en rad underdiscipliner och som har motiverat några av de mest spännande experimenten inom vetenskapen idag, säger Steinhardt. Linde, nu vid Stanford University, säger att Guths idé hjälpte till att förändra modern kosmologi. I själva verket har det inspirerat ett 30-tal variationsteorier som använder inflationen som bas.

Kort efter att ny inflation infördes började Guth och sex andra fysiker studera ursprunget till densitetsfluktuationer i den nya modellen. De förutspådde ett mönster av hur dessa fluktuationer skulle se ut i universums strålningstemperatur. Idag visar satelliter och ballongbaserade experiment att mönstret de förutspådde är anmärkningsvärt exakt. Turner, som studerar denna strålning, säger att han är övertygad om att under det kommande decenniet kommer dessa mätningar att ge ett definitivt bevis på inflation.

Guth, som är medlem i National Academy of Sciences, tonar ner sin roll i att påverka riktningen för så mycket ny forskning. Inflationen skulle ha uppfunnits vare sig jag hade uppfunnit den eller inte, säger han. Det var egentligen ganska mycket bara en sammanslagning av idéer som redan var kända för en eller annan fysiker. Det var bara många chanser inblandade när jag kom på idén.

Men för Turner och otaliga andra som begrundar kosmos är det tydligt att Guths bidrag har gett en nyckel till många nya framsteg, både experimentella och teoretiska. Alans idé om inflation har revolutionerat hur kosmologer tänker på universums början, säger Turner. Enligt min mening är det den enskilt viktigaste idén sedan själva big bang.

Dölj