Alan H. Guth ’69, PhD ’72

Tutkimukselliset kiinnostuksen kohteet

Suurin osa professori Guthin tutkimuksesta on keskittynyt teoreettisen hiukkasfysiikan soveltamiseen maailmankaikkeuden alkuvaiheessa: mitä hiukkasfysiikka voi kertoa meille maailmankaikkeuden historiasta ja mitä kosmologia voi kertoa meille luonnon peruslaeista? Vuonna 1981 hän ehdotti, että monet maailmankaikkeutemme piirteet, kuten se, miten siitä tuli niin yhtenäinen ja miksi se alkoi niin lähellä kriittistä tiheyttä, voidaan selittää uudella kosmologisella mallilla, jota hän kutsui inflaatioksi. Inflaatio on perinteisen alkuräjähdysteorian muunnos, jossa ehdotetaan, että maailmankaikkeuden laajenemista vauhditti eksoottisen aineen synnyttämä vastenmielinen gravitaatiovoima. Vaikka Guthin alkuperäisessä ehdotuksessa oli puutteita (kuten hän huomautti alkuperäisessä artikkelissaan), puutteet korjattiin pian ”uuden inflaation” keksimisellä, jonka teki Andrei Linde Neuvostoliitossa ja itsenäisesti Andreas Albrecht ja Paul Steinhardt Yhdysvalloissa. Lähes 40 vuotta kestäneen kehitystyön ja tarkastelun jälkeen todisteet inflaatiouniversumin mallin puolesta näyttävät nyt paremmilta kuin koskaan.

Yksi inflaation kiehtovista seurauksista on se, että varhaisen maailmankaikkeuden kvanttivaihtelut voivat venyä tähtitieteellisiin mittasuhteisiin, mikä antaa siemenen maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteelle. Guth ja muut laskivat näiden fluktuaatioiden ennustetun spektrin vuonna 1982. Nämä vaihtelut näkyvät nykyään aaltoiluna kosmisessa taustasäteilyssä, mutta näiden heikkojen aaltoilujen amplitudi on vain noin yksi osa 100 000:sta. COBE-satelliitti havaitsi nämä aaltoilut kuitenkin vuonna 1992, ja WMAP- ja Planck-satelliitit sekä muut kokeet ovat nyt mitanneet niitä paljon tarkemmin. Säteilyn ominaisuuksien on havaittu olevan erinomaisessa sopusoinnussa yksinkertaisimpien inflaatiomallien ennusteiden kanssa.

Työskennellessään professori Edward Farhin ja muiden kanssa Guth on tutkinut kysymystä siitä, onko periaatteessa mahdollista sytyttää inflaatio hypoteettisessa laboratoriossa ja luoda näin uusi maailmankaikkeus. Vastaus on selvä ehkä. He osoittivat, että sitä ei voida tehdä klassisesti, mutta kvanttitunneloinnilla se voisi olla teoreettisesti mahdollista. Uusi maailmankaikkeus, jos se voidaan luoda, ei vaarantaisi omaa maailmankaikkeuttamme. Sen sijaan se luiskahtaisi madonreiän läpi ja katkeaisi nopeasti kokonaan.

Toinen kiehtova piirre inflaatiossa on se, että lähes kaikki inflaation versiot ovat ikuisia – kun inflaatio kerran alkaa, se ei koskaan lopu kokonaan. Inflaatio on päättynyt meidän osassamme maailmankaikkeutta, mutta hyvin kaukana odotetaan inflaation jatkuvan ja jatkuvan ikuisesti. Onko siis mahdollista, että inflaatio on ikuinen myös menneisyyteen? Guth on työskennellyt yhdessä Alex Vilenkinin (Tufts) ja Arvind Borden (Southampton College) kanssa osoittaakseen, että avaruusajan inflatoituvalla alueella täytyy olla menneisyyden raja, ja että sen ymmärtämiseen tarvittaisiin jotain uutta fysiikkaa, kenties luomisen kvanttiteoriaa.

Monet Guthin tämänhetkiset työt liittyvät myös inflaation aiheuttamien tiheysvaihteluiden tutkimiseen: Mitä vaikutuksia uudenlaisilla inflaatiomuodoilla on? Voidaanko taustalla olevaa teoriaa tehdä tiukemmaksi?

Guthin aiempaan työhön on kuulunut muun muassa ristikkorakenteisen mittateorian, magneettisten monopolien ja instantonien, Gottin aikakoneiden ja monien muiden teoreettisen fysiikan aiheiden tutkiminen.

Biografinen luonnehdinta

Professori Alan Guth syntyi New Brunswickissa New Jerseyssä vuonna 1947. Hän varttui ja kävi julkisia kouluja Highland Parkissa, NJ:ssä, mutta jätti lukion viimeisen vuoden väliin aloittaakseen opinnot Massachusetts Institute of Technologyssä. Hän opiskeli MIT:ssä vuosina 1964-1971 ja suoritti fysiikan kandidaatin, maisterin ja tohtorin tutkinnot. Hänen väitöskirjansa, jonka hän teki Francis Low’n johdolla, käsitteli varhaista mallia siitä, miten kvarkit yhdistyvät muodostaen havaitsemamme alkeishiukkaset.

Seuraavien yhdeksän vuoden aikana Guth oli postdoc-tohtorina Princetonin yliopistossa, Columbian yliopistossa, Cornellin yliopistossa ja Stanfordin kiihdytinkeskuksessa (SLAC), ja hän työskenteli enimmäkseen melko abstraktien matemaattisten ongelmien parissa alkeishiukkasiin liittyvässä teoriassa. Cornellissa ollessaan Guthia lähestyi kuitenkin tohtorikollega Henry Tye, joka suostutteli Guthin liittymään hänen mukaansa tutkimaan magneettisten monopolien syntyä varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tämä työ muutti Guthin uran suunnan. Seuraavana vuonna SLAC:ssa hän jatkoi Tyen kanssa työskentelyä magneettisten monopolien parissa. He havaitsivat, että hiukkasfysiikan ja kosmologian tavanomaiset oletukset johtaisivat magneettisten monopolien fantastiseen ylituotantoon, mihin johtopäätökseen John Preskill oli päässyt hieman aikaisemmin, tuolloin Harvardissa (nykyään Caltechissa). Guth ja Tye alkoivat etsiä vaihtoehtoja, joilla voitaisiin välttää magneettisten monopolien ylituotanto-ongelma, ja tämän työn pohjalta Guth keksi alkuräjähdysteorian muunnoksen, jota kutsutaan inflaatiouniversumiksi.

Seuraavana syyskuussa (1980) Guth palasi MIT:hen apulaisprofessoriksi.