Alan H. Guth ’69, PhD ’72

Onderzoeksinteresses

Het grootste deel van het onderzoek van professor Guth is gericht op de toepassing van theoretische deeltjesfysica op het vroege heelal: wat kan de deeltjesfysica ons vertellen over de geschiedenis van het heelal, en wat kan de kosmologie ons vertellen over de fundamentele wetten van de natuur? In 1981 stelde hij voor dat veel kenmerken van ons heelal, waaronder de vraag hoe het zo uniform is geworden en waarom het zo dicht bij de kritische dichtheid is begonnen, kunnen worden verklaard door een nieuw kosmologisch model dat hij inflatie noemde. Inflatie is een wijziging van de conventionele big bang theorie, waarin wordt voorgesteld dat de uitdijing van het heelal werd voortgestuwd door een afstotende zwaartekracht die werd opgewekt door een exotische vorm van materie. Hoewel het aanvankelijke voorstel van Guth gebreken vertoonde (zoals hij in zijn oorspronkelijke artikel opmerkte), werd deze tekortkoming spoedig verholpen door de uitvinding van de “nieuwe inflatie”, door Andrei Linde in de Sovjet-Unie en onafhankelijk door Andreas Albrecht en Paul Steinhardt in de VS. Na bijna 40 jaar van ontwikkeling en onderzoek ziet het bewijs voor het inflatoire heelalmodel er nu beter uit dan ooit.

Eén van de intrigerende gevolgen van inflatie is dat kwantumfluctuaties in het vroege heelal kunnen worden uitgerekt tot astronomische proporties, en zo de kiem kunnen leggen voor de grootschalige structuur van het heelal. Het voorspelde spectrum van deze fluctuaties werd in 1982 berekend door Guth en anderen. Deze fluctuaties kunnen vandaag worden waargenomen als rimpelingen in de kosmische achtergrondstraling, maar de amplitude van deze zwakke rimpelingen is slechts ongeveer één deel op 100.000. Niettemin werden deze rimpelingen in 1992 door de COBE-satelliet gedetecteerd, en zij zijn nu met veel grotere nauwkeurigheid gemeten door de WMAP- en Planck-satellieten, en andere experimenten. De eigenschappen van de straling blijken uitstekend overeen te komen met de voorspellingen van de eenvoudigste modellen van inflatie.

In samenwerking met prof. Edward Farhi en anderen heeft Guth de vraag onderzocht of het in principe mogelijk is om de inflatie in een hypothetisch laboratorium te laten ontbranden, en zo een nieuw heelal te scheppen. Het antwoord is een duidelijk “misschien”. Zij toonden aan dat het niet klassiek kan, maar dat het met kwantumtunneling theoretisch mogelijk zou kunnen zijn. Het nieuwe heelal, als het kan worden gecreëerd, zou ons eigen heelal niet in gevaar brengen. In plaats daarvan zou het door een wormgat glippen en zich snel volledig loskoppelen.

Een ander intrigerend kenmerk van inflatie is dat bijna alle versies van inflatie eeuwig zijn – als de inflatie eenmaal begint, stopt hij nooit meer helemaal. De inflatie is in ons deel van het heelal afgelopen, maar heel ver weg verwacht men dat de inflatie doorgaat, en eeuwig zal doorgaan. Is het dan mogelijk dat inflatie ook eeuwig is in het verleden? Guth heeft samengewerkt met Alex Vilenkin (Tufts) en Arvind Borde (Southampton College) om aan te tonen dat het opblazende gebied van ruimtetijd een grens in het verleden moet hebben, en dat er nieuwe natuurkunde, misschien een kwantum scheppingstheorie, nodig is om dat te begrijpen.

Veel van Guth’s huidige werk betreft ook de studie van dichtheidsfluctuaties als gevolg van inflatie: Wat zijn de implicaties van nieuwe vormen van inflatie? Kan de onderliggende theorie nauwkeuriger worden gemaakt?

Guth’s eerdere werk omvatte de studie van de rastertijkentheorie, magnetische monopolen en instantonen, Gott tijdmachines, en een aantal andere onderwerpen in de theoretische fysica.

Biografische Schets

Professor Alan Guth werd geboren in New Brunswick, New Jersey, in 1947. Hij groeide op en bezocht de openbare scholen in Highland Park, NJ, maar sloeg zijn laatste jaar van de middelbare school over om aan het Massachusetts Institute of Technology te gaan studeren. Hij bleef aan het MIT van 1964 tot 1971, waar hij S.B., S.M. en Ph.D. behaalde, alle in natuurkunde. Zijn proefschrift, gemaakt onder supervisie van Francis Low, was een onderzoek naar een vroeg model van hoe quarks combineren om de elementaire deeltjes te vormen die wij waarnemen.

Tijdens de volgende negen jaar bekleedde Guth postdoctorale posities aan de Princeton University, Columbia University, Cornell University, en het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), waar hij voornamelijk werkte aan tamelijk abstracte wiskundige problemen in de theorie van elementaire deeltjes. Toen Guth op Cornell werkte, werd hij benaderd door Henry Tye, een postdoctorale fysicus, die Guth overhaalde om samen met hem de productie van magnetische monopolen in het vroege heelal te bestuderen. Dit werk veranderde de richting van Guths carrière. Het jaar daarop werkte hij bij SLAC samen met Tye verder aan magnetische monopolen. Zij ontdekten dat standaard aannames in de deeltjesfysica en de kosmologie zouden leiden tot een fantastische overproductie van magnetische monopolen, een conclusie die iets eerder was getrokken door John Preskill, toen aan Harvard (nu aan Caltech). Guth en Tye begonnen een zoektocht naar alternatieven die het probleem van de overproductie van magnetische monopolen zouden kunnen vermijden, en uit dit werk vond Guth een wijziging van de big bang theorie uit, die het inflatoire heelal werd genoemd.

De daaropvolgende maand september (1980) keerde Guth terug naar MIT als universitair hoofddocent.