Alan H. Guth ’69, PhD ’72

Intérêts de recherche

La plupart des recherches du professeur Guth se sont concentrées sur l’application de la physique théorique des particules à l’univers primitif : que peut nous dire la physique des particules sur l’histoire de l’univers, et que peut nous dire la cosmologie sur les lois fondamentales de la nature ? En 1981, il a proposé que de nombreuses caractéristiques de notre univers, notamment la façon dont il est devenu si uniforme et pourquoi il a commencé si près de la densité critique, puissent être expliquées par un nouveau modèle cosmologique qu’il a appelé inflation. L’inflation est une modification de la théorie conventionnelle du big bang, qui propose que l’expansion de l’univers soit propulsée par une force gravitationnelle répulsive générée par une forme exotique de matière. Bien que la proposition initiale de Guth comportait des lacunes (comme il l’a souligné dans son article original), celles-ci ont rapidement été comblées par l’invention de la « nouvelle inflation », par Andrei Linde en Union soviétique et, indépendamment, par Andreas Albrecht et Paul Steinhardt aux États-Unis. Après près de 40 ans de développement et d’examen, les preuves du modèle d’univers inflationniste semblent maintenant meilleures que jamais.

L’une des conséquences intrigantes de l’inflation est que les fluctuations quantiques dans l’univers primitif peuvent être étirées à des proportions astronomiques, fournissant les graines pour la structure à grande échelle de l’univers. Le spectre prédit de ces fluctuations a été calculé par Guth et d’autres en 1982. Ces fluctuations sont aujourd’hui visibles sous forme d’ondulations dans le rayonnement de fond cosmologique, mais l’amplitude de ces faibles ondulations n’est que d’une partie sur 100 000. Néanmoins, ces ondulations ont été détectées par le satellite COBE en 1992, et elles ont maintenant été mesurées avec beaucoup plus de précision par les satellites WMAP et Planck, ainsi que par d’autres expériences. Les propriétés du rayonnement sont en excellent accord avec les prédictions des modèles d’inflation les plus simples.

En collaboration avec le professeur Edward Farhi et d’autres, Guth a exploré la question de savoir s’il est en principe possible d’allumer l’inflation dans un laboratoire hypothétique, créant ainsi un nouvel univers. La réponse est sans conteste « peut-être ». Ils ont montré que cela ne peut être fait de manière classique, mais qu’avec un tunnel quantique, cela pourrait être théoriquement possible. Le nouvel univers, s’il peut être créé, ne mettrait pas en danger notre propre univers. Au lieu de cela, il se glisserait dans un trou de ver et se déconnecterait rapidement complètement.

Une autre caractéristique intrigante de l’inflation est que presque toutes les versions de l’inflation sont éternelles – une fois que l’inflation commence, elle ne s’arrête jamais complètement. L’inflation s’est terminée dans notre partie de l’univers, mais très loin de là, on s’attend à ce que l’inflation continue, et continuera pour toujours. Est-il possible, alors, que l’inflation soit également éternelle dans le passé ? Guth a travaillé avec Alex Vilenkin (Tufts) et Arvind Borde (Southampton College) pour montrer que la région d’inflation de l’espace-temps doit avoir une limite passée, et qu’une nouvelle physique, peut-être une théorie quantique de la création, serait nécessaire pour la comprendre.

Une grande partie du travail actuel de Guth concerne également l’étude des fluctuations de densité découlant de l’inflation : Quelles sont les implications de nouvelles formes d’inflation ? La théorie sous-jacente peut-elle être rendue plus rigoureuse ?

Les travaux antérieurs de Guth ont porté notamment sur l’étude de la théorie de jauge en treillis, des monopoles et instantons magnétiques, des machines temporelles de Gott et d’un certain nombre d’autres sujets de physique théorique.

Schéma biographique

Le professeur Alan Guth est né à New Brunswick, dans le New Jersey, en 1947. Il grandit et fréquente les écoles publiques de Highland Park, NJ, mais saute sa dernière année de lycée pour commencer des études au Massachusetts Institute of Technology. Il reste au MIT de 1964 à 1971, où il obtient les diplômes S.B., S.M. et Ph.D., tous en physique. Sa thèse de doctorat, réalisée sous la supervision de Francis Low, était une exploration d’un modèle précoce de la façon dont les quarks se combinent pour former les particules élémentaires que nous observons.

Au cours des neuf années suivantes, Guth a occupé des postes postdoctoraux à l’Université de Princeton, à l’Université de Columbia, à l’Université de Cornell et au Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), travaillant principalement sur des problèmes mathématiques plutôt abstraits dans la théorie des particules élémentaires. Cependant, alors qu’il était à Cornell, Guth a été approché par un autre physicien postdoctoral, Henry Tye, qui l’a persuadé de se joindre à lui pour étudier la production de monopoles magnétiques dans l’univers primitif. Ce travail a changé l’orientation de la carrière de Guth. L’année suivante, au SLAC, il a continué à travailler avec Tye sur les monopoles magnétiques. Ils ont découvert que les hypothèses standard de la physique des particules et de la cosmologie conduisaient à une surproduction fantastique de monopoles magnétiques, une conclusion à laquelle était parvenu un peu plus tôt John Preskill, alors à Harvard (aujourd’hui à Caltech). Guth et Tye ont commencé à chercher des alternatives qui pourraient éviter le problème de surproduction de monopoles magnétiques, et à partir de ce travail, Guth a inventé une modification de la théorie du big bang appelée l’univers inflationniste.

Le septembre suivant (1980), Guth est retourné au MIT en tant que professeur associé.