Alan H. Guth ’69, PhD ’72

Interesowania badawcze

Większość badań profesora Gutha koncentrowała się na zastosowaniu teoretycznej fizyki cząstek do wczesnego wszechświata: co fizyka cząstek może nam powiedzieć o historii wszechświata i co kosmologia może nam powiedzieć o fundamentalnych prawach natury? W 1981 roku zaproponował, że wiele cech naszego wszechświata, w tym to, jak powstał tak jednorodny i dlaczego zaczął się tak blisko gęstości krytycznej, może być wyjaśnione przez nowy model kosmologiczny, który nazwał inflacją. Inflacja jest modyfikacją konwencjonalnej teorii wielkiego wybuchu, w której proponuje się, że ekspansja wszechświata była napędzana przez odpychającą siłę grawitacyjną generowaną przez egzotyczną formę materii. Chociaż początkowa propozycja Gutha była wadliwa (jak zauważył w swoim oryginalnym artykule), wada ta została wkrótce usunięta dzięki wynalezieniu „nowej inflacji” przez Andrieja Lindego w Związku Radzieckim oraz niezależnie przez Andreja Albrechta i Paula Steinhardta w USA. Po prawie 40 latach rozwoju i kontroli dowody na model wszechświata inflacyjnego wyglądają teraz lepiej niż kiedykolwiek.

Jedną z intrygujących konsekwencji inflacji jest to, że kwantowe fluktuacje we wczesnym wszechświecie mogą być rozciągnięte do astronomicznych rozmiarów, dostarczając nasion dla wielkoskalowej struktury wszechświata. Przewidywane spektrum tych fluktuacji zostało obliczone przez Gutha i innych w 1982 roku. Fluktuacje te można dziś zaobserwować jako falowanie kosmicznego promieniowania tła, ale amplituda tych słabych falowań wynosi tylko około jednej części na 100 000. Mimo to, falowanie to zostało wykryte przez satelitę COBE w 1992 roku, a obecnie zostało zmierzone z dużo większą dokładnością przez satelity WMAP i Planck oraz inne eksperymenty. Właściwości promieniowania okazały się być w doskonałej zgodzie z przewidywaniami najprostszych modeli inflacji.

Współpracując z prof. Edwardem Farhi i innymi, Guth zbadał kwestię, czy w zasadzie możliwe jest zapoczątkowanie inflacji w hipotetycznym laboratorium, tworząc w ten sposób nowy wszechświat. Odpowiedź brzmi: zdecydowanie nie. Wykazali, że nie da się tego zrobić klasycznie, ale dzięki tunelowaniu kwantowemu może to być teoretycznie możliwe. Nowy wszechświat, gdyby udało się go stworzyć, nie zagrażałby naszemu własnemu wszechświatowi. Zamiast tego prześlizgnąłby się przez tunel czasoprzestrzenny i szybko odłączyłby się całkowicie.

Inną intrygującą cechą inflacji jest to, że prawie wszystkie wersje inflacji są wieczne- raz rozpoczęta inflacja nigdy nie ustaje całkowicie. Inflacja zakończyła się w naszej części wszechświata, ale bardzo daleko można się spodziewać, że inflacja trwa i będzie trwać wiecznie. Czy jest zatem możliwe, że inflacja jest również wieczna w przeszłości? Guth pracował z Alexem Vilenkinem (Tufts) i Arvindem Borde (Southampton College) by pokazać, że nadmuchiwany obszar czasoprzestrzeni musi mieć granicę w przeszłości i że jakaś nowa fizyka, być może kwantowa teoria stworzenia, będzie potrzebna by to zrozumieć.

Większość obecnej pracy Gutha dotyczy również badania fluktuacji gęstości wynikających z inflacji: Jakie są implikacje nowych form inflacji? Czy podstawowa teoria może stać się bardziej rygorystyczna?

Wcześniejsze prace Gutha obejmowały badania kratowej teorii gauge’a, monopoli magnetycznych i instantonów, maszyn czasu Gotta i wielu innych tematów z fizyki teoretycznej.

Szkic biograficzny

Profesor Alan Guth urodził się w New Brunswick, New Jersey, w 1947 roku. Dorastał i uczęszczał do szkół publicznych w Highland Park, NJ, ale opuścił ostatnią klasę szkoły średniej, aby rozpocząć studia w Massachusetts Institute of Technology. Na MIT pozostał w latach 1964-1971, uzyskując tytuły S.B., S.M. i Ph.D. – wszystkie z fizyki. Jego praca doktorska, wykonana pod kierunkiem Francisa Low, była badaniem wczesnego modelu tego, jak kwarki łączą się, tworząc cząstki elementarne, które obserwujemy.

Przez następne dziewięć lat Guth zajmował stanowiska podoktorskie na Uniwersytecie Princeton, Uniwersytecie Columbia, Uniwersytecie Cornell i w Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), pracując głównie nad raczej abstrakcyjnymi problemami matematycznymi w teorii cząstek elementarnych. Jednak podczas studiów w Cornell, do Gutha zwrócił się kolega po doktoracie, Henry Tye, który przekonał go, by przyłączył się do niego w badaniach nad produkcją monopoli magnetycznych we wczesnym wszechświecie. Praca ta zmieniła kierunek kariery Gutha. W następnym roku w SLAC kontynuował on pracę z Tye nad monopolami magnetycznymi. Stwierdzili, że standardowe założenia fizyki cząstek i kosmologii prowadzą do fantastycznej nadprodukcji monopoli magnetycznych, do czego nieco wcześniej doszedł John Preskill, pracujący wówczas na Harvardzie (obecnie w Caltech). Guth i Tye rozpoczęli poszukiwania alternatyw, które mogłyby uniknąć problemu nadprodukcji monopoli magnetycznych, a na podstawie tej pracy Guth wymyślił modyfikację teorii wielkiego wybuchu zwaną wszechświatem inflacyjnym.

We wrześniu następnego roku (1980) Guth powrócił do MIT jako profesor nadzwyczajny.

.