10 spørgsmål til Alan Guth, pioner inden for universets inflationsmodel

10 spørgsmål til Alan Guth, pioner inden for universets inflationsmodel

Begravet under et bjerg af papirer og tomme Coke Zero-flasker overvejer Alan Guth kosmos oprindelse. En verdenskendt teoretisk fysiker og professor ved Massachusetts Institute of Technology, Guth er bedst kendt for at være banebrydende for teorien om kosmisk inflation, en model, der forklarer den eksponentielle vækst af universet blot brøkdele af et sekund efter Big Bang, og dets fortsatte udvidelse i dag.

Kosmisk inflation beskriver dog ikke kun den underliggende fysik bag Big Bang. Guth mener, at det også understøtter ideen om, at vores univers er et af mange, med endnu flere universer, der endnu ikke er dannet.



Science Friday tog til MIT (hvor denne forfatter også arbejder, men i en anden afdeling) for at chatte med Guth på hans kontor om de uendelige muligheder i et uendeligt kosmos og lykkekagen, der ændrede hans liv.

Alan Guth i 2007. Foto af Betsy Devine/Wikipedia/CC BY-SA 3.0

Videnskabsfredag: Hvad fik dig til at indse, at du ville være videnskabsmand?
Alan Guth: Jeg husker en begivenhed i gymnasiet, som måske er udtryk for mine ønsker om at være en teoretisk fysiker i særdeleshed. Jeg tog gymnasiefysik, og en af ​​mine venner lavede et eksperiment, som bestod i at tage en stok og slå huller i den forskellige steder og dreje den på disse forskellige huller og se, hvordan perioden afhang af, hvor hullet var. På dette tidspunkt havde jeg lige lært nok grundlæggende fysik og calculus til at kunne beregne, hvad svaret på det spørgsmål skal være. Jeg kan huske, at vi en eftermiddag mødtes og sammenlignede min formel med hans data ved at bruge en glideregel til at lave beregningerne. Det virkede faktisk. Jeg var meget begejstret for ideen om, at vi virkelig kan beregne ting, og de afspejler faktisk den måde, den virkelige verden fungerer på.

Du lavede din afhandling om partikelfysik og har sagt, at det ikke blev præcis, som du ville. Kan du fortælle mig om det?
Min afhandling handlede om kvarkmodellen og om hvordan kvarker og antikvarker kunne binde sig til mesoner. Men det var egentlig lige før teorien om kvarker gennemgik en stor revolution [da fysikere gik fra at tro, at kvarker er tunge partikler, som har en stor bindingsenergi, når de kombineres, til kvantekromodynamikkens teori om, at kvarker faktisk er meget lette og deres bindingsenergi. stiger, når de trækkes længere fra hinanden]. Jeg var på den forkerte side af den revolution. Mit speciale blev mere eller mindre totalt forældet om dengang, jeg skrev det. Jeg har bestemt lært meget ved at gøre det.

Hvad fik dig til kosmologi?
Det var egentlig først i det ottende år, hvor jeg var postdoc i [partikelfysik], at jeg kom ind i kosmologi. En stipendiat ved Cornell ved navn Henry Tye blev interesseret i, hvad der dengang var en nymodens klasse af partikelteorier kaldet grand unified theories [partikelfysikmodeller, der beskriver, hvordan tre af de fire fundamentale kræfter i universet - elektromagnetisme, svage nukleare interaktioner og stærk nuklear interaktioner - fungerer som én kraft ved ekstremt høje energier]. Han kom til mig en dag og spurgte mig, om disse store forenede teorier ville forudsige, at der skulle være magnetiske monopoler [partikler, der har en netto magnetisk nordladning eller en netto magnetisk sydladning.]

Jeg kendte ikke til store forenede teorier på det tidspunkt, så han var nødt til at lære mig, hvilket han gjorde, med stor succes. Så vidste jeg nok til at sætte to og to sammen og konkludere - som jeg er sikker på, at mange mennesker gjorde rundt om i verden - at ja, store forenede teorier forudsiger, at magnetiske monopoler burde eksistere, men at de ville være uhyrligt tunge. De ville veje noget i retning af 10 til 16. potens gange så meget som en proton [hvilket betyder, at videnskabsmænd teoretisk burde være i stand til at observere dem i universet, selvom ingen har endnu].

Omkring seks måneder senere var der et besøg hos Cornell af [nobelpristageren] Steve Weinberg, som er en fabelagtig fysiker og en person, jeg havde kendt fra mine studenterdage på MIT. Han arbejdede på, hvordan store forenede teorier kunne forklare overskuddet af stof i forhold til antistof [i universet], men det involverede den samme grundlæggende fysik, som det ville involvere at bestemme, hvor mange monopoler der eksisterede i det tidlige univers. Jeg besluttede, at hvis det var fornuftigt nok for Steve Weinberg at arbejde på, hvorfor så ikke mig også?

Efter lidt tid kom Henry Tye og jeg til den konklusion, at der ville blive produceret alt for mange magnetiske monopoler, hvis man kombinerede konventionel kosmologi med konventionelle store forenede teorier. Vi blev øset af at udgive det, men Henry og jeg besluttede, at vi ville fortsætte med at prøve at finde ud af, om der var noget, der kunne ændres, som måske ville gøre det muligt for store forenede teorier at være i overensstemmelse med kosmologi, som vi kender den.

Hvordan kom du på ideen om kosmisk inflation?
Lidt før jeg begyndte at tale med Henry Tye om monopoler, var der et foredrag på Cornell af Bob Dicke, en Princeton-fysiker og kosmolog, hvori han præsenterede noget, der blev kaldt fladhedsproblemet, et problem om ekspansionshastigheden i den tidlige tid. universet og hvor præcist finjusteret det skulle være, for at universet kunne arbejde for at producere et univers som det, vi lever i [det vil sige et, der har ringe eller ingen rum-tid krumning og derfor er næsten perfekt 'fladt']. I dette foredrag fortalte Bob Dicke os, at hvis du tænkte på universet et sekund efter begyndelsen, skulle ekspansionshastigheden virkelig være lige til 15 decimaler, ellers ville universet enten flyve for hurtigt fra hinanden til, at enhver struktur kunne dannes eller falde sammen for hurtigt til, at nogen struktur kan dannes.

På det tidspunkt tænkte jeg, at det var lidt fantastisk, men forstod det ikke engang. Men efter at have arbejdet med dette magnetiske monopolspørgsmål i seks måneder, kom jeg en nat til den erkendelse, at den slags mekanisme, som vi tænkte på, ville undertrykke mængden af ​​magnetiske monopoler produceret efter Big Bang ['mekanismen' er en fase overgang, der sker efter en stor mængde superafkøling] ville have den overraskende effekt at drive universet ind i en periode med eksponentiel ekspansion – hvilket er det, vi nu kalder inflation – og den eksponentielle ekspansion ville løse dette fladhedsproblem. Det ville også trække universet til præcis den rigtige ekspansionshastighed, som Big Bang krævede [for at skabe et univers som vores].

Du har i tidligere samtaler sagt, at en lykkekage spillede en lovlig vigtig rolle i din karriere. Hvordan det?
I løbet af foråret 1980, efter at have fundet på denne idé om inflation, besluttede jeg, at den bedste måde at offentliggøre den på ville være at holde en masse foredrag om det. Jeg besøgte MIT, men MIT havde ikke opslået nogen stillinger det år. I løbet af den allersidste dag af denne seks ugers tur var jeg på University of Maryland, og de tog mig med ud til en kinesisk middag, og formuen, jeg fik i min kinesiske lykkekage, sagde: 'Der venter dig en spændende mulighed, hvis du er ikke for bange.' Jeg tænkte over det og besluttede, at det måske var at prøve at fortælle mig noget. Da jeg kom tilbage til Californien, ringede jeg til et af fakultetsmedlemmerne på MIT og sagde på en eller anden stammende måde, at jeg ikke havde søgt nogen job, fordi der ikke var nogen job på MIT, men jeg ville fortælle dem, at hvis de kunne være interesseret i mig, jeg ville være interesseret i at komme. Så vendte de tilbage til mig på en dag og gav mig et tilbud. Det var godt. Jeg kom til MIT som fakultetsmedlem, og jeg har været her lige siden.

Hvornår og hvor gør du dit bedste arbejde?
Jeg er overbevist om, at jeg gør mit bedste for at tænke midt om natten. Jeg kan meget godt lide at kunne have rimelig lange perioder, et par timer, hvor jeg kan koncentrere mig om noget og ikke blive afbrudt, og det sker kun om natten. Det, der ofte sker, er, at jeg falder i søvn kl. 9:30 og vågner kl. 1 eller 2 og begynder at arbejde og falder så i søvn igen kl. 5.

Hvem er en drømmesamarbejdspartner, du kunne tænke dig at arbejde sammen med?
Jeg vil vædde på, at det ville have været meget sjovt at arbejde med Einstein. Det, jeg virkelig respekterer ved Einstein, er hans ønske om at smide alle konventionelle tilstande til side og blot koncentrere sig om, hvad der synes at være det tætteste, vi kan komme på en nøjagtig teori om naturen.

Hvad arbejder du med lige nu?
Det mest konkrete projekt, jeg arbejder på, er et projekt i samarbejde med en ret stor gruppe her på MIT, hvor vi forsøger at beregne produktionen af ​​primordiale sorte huller, der kunne være sket med en bestemt version af inflation. Hvis dette lykkes, kan disse oprindelige sorte huller måske være kimen til de supermassive sorte huller i galaksernes centre, som er meget svære at forklare. Det ville være utrolig spændende, hvis det viser sig at være tilfældet.

Hvad tænker du ellers over?
Et større spørgsmål, som har ligget i baghovedet i et årti, er problemet med at forstå sandsynligheder i evigt oppustede universer. I et evigt oppustet univers bliver disse lommeuniverser [som det vi lever i] ved med at blive dannet bogstaveligt talt for evigt. Der dannes et uendeligt antal lommeuniverser, og det betyder, at alt, hvad der er fysisk tilladt, i sidste ende vil ske et uendeligt antal gange.

Normalt fortolker vi sandsynligheder som relative forekomster. Vi tror, ​​at enhovedede køer er mere sandsynlige end tohovedede køer, fordi vi tror, ​​der er meget flere enhovedede køer end tohovedede køer. Jeg ved ikke, om der er nogen tohovedede køer på jorden, men lad os lade som om, der er. I et evigt oppustet univers, hvis man antager, at en tohovedet ko i det mindste er mulig, vil der være et uendeligt antal tohovedede køer og et uendeligt antal ethovedede køer. Det er svært at vide, hvad du mener, hvis du prøver at sige, at det ene er mere almindeligt end det andet.

Hvis der kan ske noget i et evigt oppustet univers, er der så en situation, hvor jeg er kosmologen, og du er journalisten?
[griner] Sandsynligvis, ja. Jeg tror, ​​at det, vi med sikkerhed ville vide, er, at alt, hvad der er fysisk muligt – og jeg kan ikke se hvorfor dette ikke er fysisk muligt – vil ske et uendeligt antal gange.

Dette interview er redigeret for plads og klarhed. Marcia Bartusiak, professor i praksis af Graduate Program i Science Writing på Massachusetts Institute of Technology, lånte hende ekspertise under faktatjekprocessen.