Alan H. Guth ’69, PhD ’72

Interessi di ricerca

La maggior parte della ricerca del Professor Guth si è concentrata sull’applicazione della fisica teorica delle particelle all’universo primordiale: cosa può dirci la fisica delle particelle sulla storia dell’universo e cosa può dirci la cosmologia sulle leggi fondamentali della natura? Nel 1981 ha proposto che molte caratteristiche del nostro universo, compreso il modo in cui è diventato così uniforme e perché è iniziato così vicino alla densità critica, possono essere spiegate da un nuovo modello cosmologico che ha chiamato inflazione. L’inflazione è una modifica della teoria convenzionale del big bang, che propone che l’espansione dell’universo sia stata spinta da una forza gravitazionale repulsiva generata da una forma esotica di materia. Anche se la proposta iniziale di Guth era imperfetta (come ha sottolineato nel suo documento originale), il difetto fu presto superato dall’invenzione della “nuova inflazione”, da Andrei Linde in Unione Sovietica e indipendentemente da Andreas Albrecht e Paul Steinhardt negli Stati Uniti. Dopo quasi 40 anni di sviluppo ed esame, le prove a favore del modello dell’universo inflazionario appaiono ora migliori che mai.

Una delle intriganti conseguenze dell’inflazione è che le fluttuazioni quantiche nell’universo primordiale possono essere allungate a proporzioni astronomiche, fornendo i semi per la struttura su larga scala dell’universo. Lo spettro previsto di queste fluttuazioni è stato calcolato da Guth e altri nel 1982. Queste fluttuazioni possono essere viste oggi come increspature nella radiazione cosmica di fondo, ma l’ampiezza di queste deboli increspature è solo una parte su 100.000. Tuttavia, queste increspature sono state rilevate dal satellite COBE nel 1992, e ora sono state misurate con molta più precisione dai satelliti WMAP e Planck, e da altri esperimenti. Le proprietà della radiazione sono state trovate in eccellente accordo con le previsioni dei modelli più semplici di inflazione.

Lavorando con il Prof. Edward Farhi e altri, Guth ha esplorato la questione se è possibile in linea di principio accendere l’inflazione in un ipotetico laboratorio, creando così un nuovo universo. La risposta è un deciso forse. Hanno dimostrato che non può essere fatto classicamente, ma con il tunneling quantistico potrebbe essere teoricamente possibile. Il nuovo universo, se può essere creato, non metterebbe in pericolo il nostro universo. Invece scivolerebbe attraverso un wormhole e si disconnetterebbe rapidamente e completamente.

Un’altra caratteristica intrigante dell’inflazione è che quasi tutte le versioni di inflazione sono eterne – una volta che l’inflazione inizia, non si ferma mai completamente. L’inflazione è finita nella nostra parte dell’universo, ma molto lontano ci si aspetta che l’inflazione continui, e continuerà per sempre. È possibile, allora, che l’inflazione sia eterna anche nel passato? Guth ha lavorato con Alex Vilenkin (Tufts) e Arvind Borde (Southampton College) per dimostrare che la regione di spaziotempo che si gonfia deve avere un confine passato, e che una nuova fisica, forse una teoria quantistica della creazione, sarebbe necessaria per comprenderla.

Molto del lavoro attuale di Guth riguarda anche lo studio delle fluttuazioni di densità derivanti dall’inflazione: Quali sono le implicazioni di nuove forme di inflazione? La teoria sottostante può essere resa più rigorosa?

Il precedente lavoro di Guth ha incluso lo studio della teoria di gauge del reticolo, dei monopoli magnetici e degli istantoni, delle macchine del tempo di Gott, e una serie di altri argomenti di fisica teorica.

Schizzo biografico

Il professore Alan Guth è nato a New Brunswick, New Jersey, nel 1947. È cresciuto e ha frequentato le scuole pubbliche di Highland Park, NJ, ma ha saltato il suo ultimo anno di scuola superiore per iniziare gli studi al Massachusetts Institute of Technology. Rimase al MIT dal 1964 al 1971, acquisendo le lauree S.B., S.M. e Ph.D., tutte in fisica. La sua tesi di dottorato, fatta sotto la supervisione di Francis Low, era un’esplorazione di un primo modello di come i quark si combinano per formare le particelle elementari che osserviamo.

Durante i nove anni successivi, Guth ha tenuto posizioni post-dottorato alla Princeton University, alla Columbia University, alla Cornell University e allo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), lavorando principalmente su problemi matematici piuttosto astratti nella teoria delle particelle elementari. Mentre era alla Cornell, tuttavia, Guth fu avvicinato da un collega fisico post-dottorato, Henry Tye, che lo convinse ad unirsi a lui nello studio della produzione di monopoli magnetici nell’universo primordiale. Questo lavoro cambiò la direzione della carriera di Guth. L’anno seguente allo SLAC continuò a lavorare con Tye sui monopoli magnetici. Trovarono che le assunzioni standard della fisica delle particelle e della cosmologia avrebbero portato ad una fantastica sovrapproduzione di monopoli magnetici, una conclusione che era stata raggiunta un po’ prima da John Preskill, allora ad Harvard (ora al Caltech). Guth e Tye iniziarono una ricerca di alternative che potessero evitare il problema della sovrapproduzione di monopoli magnetici, e da questo lavoro Guth inventò una modifica della teoria del big bang chiamata universo inflazionario.

Il settembre successivo (1980), Guth tornò al MIT come professore associato.