Alan H. Guth ’69, PhD ’72

Forschungsinteressen

Der größte Teil von Professor Guths Forschung konzentriert sich auf die Anwendung der theoretischen Teilchenphysik auf das frühe Universum: Was kann uns die Teilchenphysik über die Geschichte des Universums sagen, und was kann uns die Kosmologie über die grundlegenden Naturgesetze sagen? Im Jahr 1981 schlug er vor, dass viele Merkmale unseres Universums, einschließlich der Frage, wie es so einheitlich wurde und warum es so nahe an der kritischen Dichte begann, durch ein neues kosmologisches Modell erklärt werden können, das er Inflation nannte. Die Inflation ist eine Abwandlung der herkömmlichen Urknalltheorie, die besagt, dass die Ausdehnung des Universums durch eine abstoßende Gravitationskraft angetrieben wurde, die von einer exotischen Form von Materie erzeugt wurde. Obwohl Guths ursprünglicher Vorschlag mit Mängeln behaftet war (wie er in seiner ursprünglichen Arbeit betonte), wurden diese Mängel bald durch die Erfindung der „neuen Inflation“ durch Andrei Linde in der Sowjetunion und unabhängig davon durch Andreas Albrecht und Paul Steinhardt in den USA überwunden. Nach fast 40 Jahren der Entwicklung und Überprüfung sieht die Beweislage für das Modell des inflationären Universums heute besser aus als je zuvor.

Eine der faszinierenden Folgen der Inflation ist, dass Quantenfluktuationen im frühen Universum auf astronomische Ausmaße ausgedehnt werden können und so die Grundlage für die großräumige Struktur des Universums bilden. Das vorhergesagte Spektrum dieser Fluktuationen wurde 1982 von Guth und anderen berechnet. Diese Fluktuationen sind heute als Wellen in der kosmischen Hintergrundstrahlung zu sehen, aber die Amplitude dieser schwachen Wellen beträgt nur etwa einen Teil von 100.000. Nichtsdestotrotz wurden diese Wellen 1992 vom COBE-Satelliten aufgespürt und inzwischen von den WMAP- und Planck-Satelliten sowie anderen Experimenten mit viel höherer Präzision gemessen. Die Eigenschaften der Strahlung stimmen hervorragend mit den Vorhersagen der einfachsten Inflationsmodelle überein.

In Zusammenarbeit mit Prof. Edward Farhi und anderen hat Guth die Frage untersucht, ob es prinzipiell möglich ist, die Inflation in einem hypothetischen Labor auszulösen und so ein neues Universum zu schaffen. Die Antwort ist ein eindeutiges „Vielleicht“. Sie haben gezeigt, dass dies auf klassischem Wege nicht möglich ist, aber mit Hilfe von Quantentunneln könnte es theoretisch möglich sein. Das neue Universum würde, falls es entstehen sollte, unser eigenes Universum nicht gefährden. Stattdessen würde es durch ein Wurmloch schlüpfen und sich schnell vollständig abtrennen.

Ein weiteres faszinierendes Merkmal der Inflation ist, dass fast alle Versionen der Inflation ewig sind – wenn die Inflation einmal begonnen hat, hört sie niemals vollständig auf. In unserem Teil des Universums ist die Inflation beendet, aber sehr weit entfernt geht man davon aus, dass die Inflation weitergeht und ewig andauern wird. Ist es also möglich, dass die Inflation auch in der Vergangenheit ewig anhält? Guth hat mit Alex Vilenkin (Tufts) und Arvind Borde (Southampton College) zusammengearbeitet, um zu zeigen, dass die sich aufblähende Region der Raumzeit eine Grenze in der Vergangenheit haben muss und dass eine neue Physik, vielleicht eine Quantentheorie der Schöpfung, erforderlich wäre, um sie zu verstehen.

Ein Großteil von Guths aktueller Arbeit betrifft auch die Untersuchung von Dichtefluktuationen, die sich aus der Inflation ergeben: Was sind die Auswirkungen neuartiger Formen der Inflation? Kann die zugrundeliegende Theorie strenger gestaltet werden?

Guths frühere Arbeiten umfassen die Untersuchung der Gittereichtheorie, magnetische Monopole und Instantonen, Gott-Zeitmaschinen und eine Reihe anderer Themen der theoretischen Physik.

Biographische Skizze

Professor Alan Guth wurde 1947 in New Brunswick, New Jersey, geboren. Er wuchs auf und besuchte die öffentlichen Schulen in Highland Park, NJ, übersprang aber das letzte Jahr der High School, um ein Studium am Massachusetts Institute of Technology zu beginnen. Er blieb von 1964 bis 1971 am MIT und erwarb die Abschlüsse S.B., S.M. und Ph.D., alle in Physik. In seiner Doktorarbeit, die er unter der Leitung von Francis Low schrieb, untersuchte er ein frühes Modell, wie sich Quarks zu den von uns beobachteten Elementarteilchen zusammenschließen.

In den folgenden neun Jahren arbeitete Guth als Postdoktorand an der Princeton University, der Columbia University, der Cornell University und dem Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), wobei er sich hauptsächlich mit eher abstrakten mathematischen Problemen in der Theorie der Elementarteilchen beschäftigte. Während seiner Zeit an der Cornell University wurde Guth jedoch von Henry Tye, einem anderen promovierten Physiker, angesprochen, der ihn überredete, gemeinsam mit ihm die Entstehung magnetischer Monopole im frühen Universum zu untersuchen. Diese Arbeit änderte die Richtung von Guths Karriere. Im folgenden Jahr arbeitete er am SLAC weiter mit Tye an magnetischen Monopolen. Sie fanden heraus, dass die Standardannahmen der Teilchenphysik und der Kosmologie zu einer fantastischen Überproduktion von magnetischen Monopolen führen würden, eine Schlussfolgerung, die John Preskill, damals in Harvard (heute am Caltech), schon etwas früher gezogen hatte. Guth und Tye begannen mit der Suche nach Alternativen, die das Problem der Überproduktion magnetischer Monopole vermeiden könnten, und auf der Grundlage dieser Arbeit erfand Guth eine Abwandlung der Urknalltheorie, das so genannte inflationäre Universum.

Im darauffolgenden September (1980) kehrte Guth als außerordentlicher Professor an das MIT zurück.