211service.com
Voor de oerknal
De carrière van Alan Guth hing in de lucht. Als ambitieuze postdoc aan de Cornell University in 1978 was Guth op zoek naar een manier om bij te dragen aan zijn vakgebied deeltjesfysica, maar zijn onderzoek had weinig belangstelling gewekt. Hij moest ook een vaste baan vinden om zijn vrouw Susan en baby Larry te onderhouden. Maar ook zijn zoektocht naar een baan was niet goed gegaan.
Die herfst had een drietal kosmologen, of theoretici van het vroege heelal, de Nobelprijs voor natuurkunde gewonnen. Al snel gonsden de discussies over de oorsprong van het heelal en vooral over de oerknaltheorie - het idee dat het heelal begon met een explosie en dat alle materie zich sindsdien naar buiten heeft verplaatst - in de zalen van de academische wereld en onder het grote publiek. Dus toen een kosmoloog in Cornell kwam spreken, gingen Guth '69, SM '69, PhD '72 luisteren naar wat hij te zeggen had. De docent, Robert Dicke, sprak onder meer over een complex kosmologisch probleem dat wetenschappers niet hadden kunnen oplossen. Het heeft zeker mijn interesse gewekt, zegt Guth. Dicke's lezing leek te wijzen op de conclusie dat de traditionele oerknaltheorie iets belangrijks wegliet. Twee jaar later, tijdens zijn onderzoek op een heel ander gebied, stuitte Guth op het ontbrekende stuk.
Hij introduceerde zijn verklaring in 1981 en noemde het inflatie. Sindsdien heeft de theorie veel aandacht gekregen. In de jaren sinds het verscheen, is Guths originele artikel geciteerd in meer dan 2000 publicaties, en afgelopen herfst ontving de auteur de prestigieuze Dirac-medaille, die veel waarnemers beschouwen als een voorloper van een Nobelprijs. Tegenwoordig noemen kosmologen het idee van Guth een nieuw paradigma, een van de weinige uiterst invloedrijke theorieën van het universum in de afgelopen halve eeuw.
De weg naar ontdekking
Het kantoor van Guth is een regenwoud van los papier. Hoewel het ruim is voor de opgravingen van een professor - twee tot drie keer zo groot als de meeste universitaire kantoren - is bijna elke centimeter van de vloer, het meubilair en de vensterbank bezaaid met boeken, stukjes papier, manilla-mappen en tijdschriften. Guth, wiens ruige haar vaak over de rand van zijn bril glijdt, verzamelt ideeën uit deze verschillende bronnen en voegt de stukjes samen die zijn interesse wekken en zijn verbeelding prikkelen. Terwijl hij zijn theorieën ontwikkelt, put hij ook uit wat hij weet. Guth vormde op deze manier zijn eerste idee van de inflatietheorie: hij verzamelde een groot aantal theoretische problemen en ging verbanden daartussen zien.
De theorie van Guth kwam vrij toevallig tot stand toen hij eerder niet-verbonden onderzoek begon te verweven met zijn eigen werk. Het begon allemaal met de lezing waarin Dicke de complexe kosmologische puzzel beschreef met betrekking tot de hoeveelheid en verdeling van materie in het universum. Kosmologen weten niet precies hoeveel materie er in het heelal zit. Als ze praten over de hoeveelheid die er is, vergelijken ze het met een kritische dichtheid. Deze dichtheid komt overeen met de hoeveelheid materie die nodig is om een heelal plat te laten worden.
Ten tijde van Dicke's lezing toonden wetenschappelijke waarnemingen aan dat het universum zich binnen 10 procent van de kritische dichtheid bevond, maar tegenwoordig kunnen kosmologen aantonen dat het universum zich in werkelijkheid binnen vijf procent ervan bevindt. Om ervoor te zorgen dat het universum van vandaag binnen vijf procent van de kritische dichtheid zou zijn, zou het universum één seconde na de oerknal extreem dicht bij kritiek moeten zijn geweest. Maar in de context van de oerknaltheorie is er geen reden bekend waarom het universum dicht bij de kritische dichtheid zou zijn begonnen, zegt Guth. Dit raadsel werd het vlakheidsprobleem genoemd.
Guth beschrijft een andere manier om erover na te denken: de dichtheid van het universum lijkt veel op een potlood dat op zijn punt balanceert. Als het perfect in balans is, heeft het een kritische dichtheid. Als geen enkele kracht het verstoort, blijft het in evenwicht. Maar als het in een bepaalde richting wordt geduwd, zal het wegvallen van zijn evenwichtspunt. In zekere zin bevindt het universum zich tegenwoordig in de buurt van dat evenwichtspunt. Maar wetenschappers wisten geen reden waarom het potlood rechtop zou zijn begonnen. Ze gingen ervan uit dat de zwaartekracht altijd aantrekt - wat betekent dat het potlood van nature zou kantelen. Guth zou later ontdekken dat er plausibele omstandigheden zijn waarin de zwaartekracht afstoot.
Het vlakheidsprobleem zette Guth aan het denken over het vroege heelal, maar het was zijn werk aan magnetische monopolen - een schijnbaar niet-gerelateerd veld dat hij later combineerde met kosmologie - dat leidde tot wat zijn inflatietheorie zou worden. Monopolen zijn een theoretisch type magnetisch elementair deeltje met een enkele lading. Henry Tye, een collega-postdoc bij Cornell, was geïnteresseerd geraakt in theorieën die het bestaan van magnetische monopolen voorspelden, en hij benaderde Guth om te proberen te bepalen hoeveel er in de oerknal zouden zijn gecreëerd, toen werd aangenomen dat alle deeltjes waren gemaakt . In het begin, zegt Guth, vond ik dat een gekke manier om je tijd te verspillen. Maar nog steeds in de hoop naam te maken in de natuurkunde, stemde hij ermee in om te helpen.
Het paar concludeerde uiteindelijk dat het universum in monopolen zou moeten zwemmen, maar dat is het niet. Ze berekenden ook het gewicht van monopolen en ontdekten dat ze erg zwaar moesten zijn. Deze bevindingen waren precies het soort bijdrage waar Guth naar op zoek was, maar voordat hij en Tye hun resultaten konden publiceren, was een andere jonge onderzoeker hen voor.
Dus gingen ze op zoek naar een andere innovatie. Ze begonnen te vragen hoe ze de theorieën die magnetische monopolen voorspellen konden aanpassen om de volledige afwezigheid van monopolen te verklaren. Ze redeneerden dat onderkoeling - het verlagen van de temperatuur tot onder het vriespunt zonder bevriezing te veroorzaken - in het vroege heelal zou hebben voorkomen dat de monopolen werden geproduceerd. Deze keer publiceerden ze hun bevindingen meteen.
Vervolgens stelde Tye voor om het effect te berekenen dat de onderkoeling zou kunnen hebben gehad op de uitdijingssnelheid van het universum. Ik ging op een avond naar huis en deed die berekening, herinnert Guth zich. In feite beïnvloedt onderkoeling de uitdijingssnelheid van het universum enorm, zegt hij, waardoor het universum deze exponentiële uitdijing ingaat, wat we nu inflatie noemen. In dit geval, theoretiseerde Guth, werkt de zwaartekracht omgekeerd.
Guth stelde dat het hele universum honderd miljard keer kleiner begon dan een proton. Het universum werd geregeerd door de wetten van deeltjesinteractie, die wetenschappers nog steeds niet volledig begrijpen. De afstotende zwaartekracht van inflatie vergroot het heelal ter grootte van een stipje in slechts een fractie van een fractie van een seconde, waardoor de groei op een explosie lijkt. En toen vermengde inflatie zich met de oerknaltheorie.
Nadat ik zo'n gedenkwaardige gebeurtenis had gepostuleerd, zegt Guth, realiseerde ik me diezelfde nacht dat deze exponentiële expansie het vlakheidsprobleem zou oplossen. En dat maakte me natuurlijk enorm enthousiast.
Golven maken
Hoe lost inflatie het vlakheidsprobleem op? Guth's idee was dat het metaforische potlood niet op zijn punt hoefde te beginnen; in plaats daarvan had het in een gekantelde positie kunnen beginnen. Zijn theorie suggereert dat de zwaartekracht omgekeerd was bij de schepping van het universum, dus het metaforische potlood zou vanuit een horizontale positie omhoog worden getrokken totdat het op zijn punt stopte. Met andere woorden, het is niet nodig om aan te nemen dat het vroege heelal begon met een kritische dichtheid. In feite zou het verre van dat kunnen zijn begonnen, omdat omgekeerde zwaartekracht het universum zou doen bewegen in de richting van kritische dichtheid.
Inflatie loste een ander probleem op. De oerknal had een heelal moeten voortbrengen met stralingstemperaturen van warm tot koud. Maar wetenschappers hadden ontdekt dat op grote schaal de temperaturen in het hele universum homogeen zijn. Ze hadden het moeilijk om deze homogeniteit te verklaren, aangezien er niet genoeg tijd is geweest voor de straling om zich door het universum te egaliseren. Inflatie is verantwoordelijk voor dit zogenaamde horizonprobleem omdat de grootschalige homogeniteit zou zijn vastgesteld toen het universum nog kleiner was dan een proton, en het heeft zich eenvoudigweg uitgerekt tot wat we vandaag zien.
Afbeelding door John MacNeill.
Guths oplossingen veroorzaakten een revolutie in de kosmologie, maar zijn aanvankelijke opwinding werd al snel gevolgd door angst. Hij was een jonge onderzoeker zonder faculteitsaanstelling, en hij was onzeker over zijn theorie. Ik was er erg nerveus over omdat ik vond dat er te veel dingen waren die ik echt niet begreep. Ik was bang dat het op de een of andere manier zou ontploffen. Ondanks zijn zorgen legde Guth begin 1980 de inflatie uit in een reeks lezingen voor kosmologen in het hele land.
Alan toonde ongewone moed - vooral voor iemand zonder ambtstermijn of zelfs een faculteitspositie - door inflatie te veroorzaken, zegt Michael Turner, een astrofysicus van de Universiteit van Chicago.
Degenen die hem hoorden waren geïntrigeerd en al snel kwamen er aanbiedingen voor faculteitsposities, zij het niet van MIT. Desalniettemin wilde Guth terugkeren naar zijn alma mater, dus toen een gelukskoekje hem vertelde dat er een opwindende kans in het verschiet ligt als je niet te timide bent, belde hij MIT en bood zichzelf aan als prospect. Later dat jaar kwam hij als gasthoogleraar naar het Instituut. Tegenwoordig werkt hij als Victor F. Weisskopf-hoogleraar natuurkunde in de hal van zijn zoon Larry, een afgestudeerde student wiskunde. Larry werkt op het kantoor van zijn vader als student, een toeval dat Guth enorm schattig vindt.
Sommige zorgen van Guth over de geldigheid van zijn theorie waren niet ongegrond. Met hulp van Erick Weinberg van Columbia University ontdekte Guth dat zijn idee enigszins gebrekkig was. Zijn uitleg over de manier waarop inflatie tot de oerknal leidde, werkte niet. Maar omdat Guth geloofde in het belang van inflatie, schreef hij een artikel dat zowel zijn theorie als de problemen ervan beschreef.
Hij schreef een paper waarin hij zei: ik vind dit een heel belangrijk idee, maar ik kan laten zien dat het niet werkt in de vorm die ik voorstel', zegt Turner. Hij nodigde andere wetenschappers uit om over inflatie na te denken en deze te verbeteren. Drie andere kosmologen reageerden op zijn uitdaging. De Russische wetenschapper Andrei Linde en, onafhankelijk, de Amerikaanse onderzoekers Paul Steinhardt (Princeton University) en Andreas Albrecht (University of California, Davis) kwamen met een wijziging die de fout voorkwam. Ze noemden het nieuwe inflatie. Guth deelt de Dirac-medaille van 2002 met Linde en Steinhardt.
Inflatie is een zeer opwindend idee dat natuurkundigen uit verschillende subdisciplines heeft samengebracht en dat enkele van de meest opwindende experimenten in de huidige wetenschap heeft gemotiveerd, zegt Steinhardt. Linde, nu aan de Stanford University, zegt dat het idee van Guth de moderne kosmologie heeft veranderd. In feite heeft het ongeveer 30 variatietheorieën geïnspireerd die inflatie als basis gebruiken.
Kort nadat de nieuwe inflatie was ingevoerd, begonnen Guth en zes andere natuurkundigen de oorsprong van dichtheidsfluctuaties in het nieuwe model te bestuderen. Ze voorspelden een patroon van hoe deze fluctuaties zouden verschijnen in de stralingstemperatuur van het universum. Tegenwoordig laten satellieten en op ballonnen gebaseerde experimenten zien dat het patroon dat ze voorspelden opmerkelijk nauwkeurig is. Turner, die deze straling bestudeert, zegt dat hij er zeker van is dat deze metingen de komende tien jaar definitief bewijs van inflatie zullen opleveren.
Guth, die lid is van de National Academy of Sciences, bagatelliseert zijn rol bij het beïnvloeden van de richting van zoveel nieuw onderzoek. De inflatie zou zijn uitgevonden, of ik het nu had uitgevonden of niet, zegt hij. Het was eigenlijk gewoon een samenvoeging van ideeën die al bekend waren bij de ene of de andere fysicus. Er waren gewoon veel kansen bij het bedenken van het idee.
Maar voor Turner en talloze anderen die over de kosmos nadenken, is het duidelijk dat Guths bijdragen een sleutel hebben geleverd tot veel recente vooruitgang, zowel experimenteel als theoretisch. Alans idee van inflatie heeft een revolutie teweeggebracht in de manier waarop kosmologen denken over het begin van het universum, zegt Turner. Naar mijn mening is dit het belangrijkste idee sinds de oerknal zelf.