211service.com
Prieš Didįjį sprogimą
Alano Gutho karjera pakilo į orą. Būdamas ambicingu Kornelio universiteto postdoktoriumi 1978 m., Guthas ieškojo būdo, kaip prisidėti prie savo dalelių fizikos srities, tačiau jo tyrimai sulaukė menko susidomėjimo. Jam taip pat reikėjo susirasti nuolatinį darbą, kad galėtų išlaikyti savo žmoną Susan ir kūdikį Larį. Tačiau jo darbo paieškos taip pat nebuvo sėkmingos.
Tą rudenį kosmologų trijulė arba ankstyvosios visatos teoretikai laimėjo Nobelio fizikos premiją. Netrukus diskusijos apie visatos kilmę ir ypač Didžiojo sprogimo teoriją – mintis, kad visata prasidėjo nuo sprogimo ir kad nuo to laiko visa materija juda į išorę – šurmuliavo akademinėse salėse ir plačiojoje visuomenėje. Taigi, kai kosmologas atėjo kalbėti Kornelyje, Guthas '69, SM '69, PhD '72, nuėjo pasiklausyti, ką jis turi pasakyti. Lektorius Robertas Dicke'as, be kita ko, kalbėjo apie sudėtingą kosmologinę problemą, kurios mokslininkams nepavyko išspręsti. Tai tikrai sukėlė mano susidomėjimą, sako Guthas. Atrodė, kad Dicke'o paskaita padarė išvadą, kad tradicinė didžiojo sprogimo teorija nepaiso kažko svarbaus. Po dvejų metų, tyrinėdamas visiškai kitoje srityje, Guthas atsitiko dingusiam kūriniui.
Savo paaiškinimą jis pristatė 1981 m., pavadindamas tai infliacija. Nuo tada teorija susilaukė daug dėmesio. Per kelerius metus nuo jo pasirodymo originalus Gutho darbas buvo cituojamas daugiau nei 2000 publikacijų, o praėjusį rudenį jo autorius gavo prestižinį Dirako medalį, kurį daugelis stebėtojų laiko Nobelio premijos pirmtaku. Šiandien kosmologai Gutho idėją vadina nauja paradigma, viena iš nedaugelio pastarąjį pusšimtį metų itin įtakingų visatos teorijų.
Kelias į atradimą
Gutho biuras yra palaido popieriaus atogrąžų miškas. Nors jis yra erdvus profesoriaus kasinėjimams – du ar tris kartus didesnis nei daugumos universiteto kabinetų – beveik kiekvienas grindų, baldų ir palangės colis nusėtas knygomis, popieriaus skiautėmis, manilos aplankais ir periodiniais leidiniais. Guthas, kurio pasišiaušę plaukai dažnai slysta per akinių kraštelius, kaupia idėjas iš šių įvairių šaltinių, sujungia smulkmenas, kurios sužadina jo susidomėjimą ir žadina vaizduotę. Plėtodamas savo teorijas jis remiasi tuo, ką žino. Pirmąjį infliacijos teorijos supratimą Guthas suformavo būtent tokiu būdu: jis surinko daugybę teorinių problemų ir įžvelgė jų sąsajas.
Gutho teorija atsirado visiškai atsitiktinai, kai jis pradėjo susieti anksčiau nesusijusius tyrimus su savo darbu. Viskas prasidėjo nuo paskaitos, kurioje Dicke'as aprašė sudėtingą kosmologinį galvosūkį, susijusį su materijos kiekiu ir pasiskirstymu visatoje. Kosmologai tiksliai nežino, kiek materijos yra visatoje. Kai jie kalba apie egzistuojantį kiekį, jie lygina jį su kritiniu tankumu. Šis tankis atitinka medžiagos kiekį, kurio reikia, kad visata taptų plokščia.
Dicke'o paskaitos metu moksliniai stebėjimai parodė, kad visatos tankis neviršija 10 procentų kritinio tankio, tačiau šiandien kosmologai gali parodyti, kad visata iš tikrųjų yra penkių procentų ribose. Kad šiandieninė visata atitiktų penkis procentus kritinio tankio, visata turėjo būti labai arti kritinio praėjus sekundei po Didžiojo sprogimo. Tačiau didžiojo sprogimo teorijos kontekste nėra žinomos priežasties, kodėl visata būtų prasidėjusi netoli kritinio tankio, sako Guthas. Ši mįslė buvo pavadinta lygumo problema.
Guthas aprašo kitą būdą, kaip apie tai galvoti: Visatos tankis yra panašus į pieštuką, subalansuotą. Kai jis puikiai subalansuotas, jis yra kritinio tankio. Jei jokia jėga jo netrukdo, ji išlieka subalansuota. Bet jei jis bus stumiamas bet kuria kryptimi, jis nukris nuo pusiausvyros taško. Tam tikra prasme visata šiandien yra netoli to pusiausvyros taško. Tačiau mokslininkai nežinojo jokios priežasties, kodėl pieštukas būtų paleidęs tiesiai. Jie laikė savaime suprantamu dalyku tai, kad gravitacija visada traukia, o tai reiškia, kad pieštukas natūraliai nukryps. Vėliau Guthas sužinojo, kad yra tikėtinų aplinkybių, kuriomis gravitacija atstumia.
Plokštumo problema paskatino Guthą galvoti apie ankstyvąją visatą, tačiau būtent jo darbas su magnetiniais monopoliais – iš pažiūros nesusijusiu lauku, jis vėliau sujungė su kosmologija – lėmė tai, kas tapo jo infliacijos teorija. Monopoliai yra teorinis magnetinių elementariųjų dalelių tipas, turintis vieną krūvį. Henry Tye, Kornelio postdoc, susidomėjo teorijomis, numatančiomis magnetinių monopolių egzistavimą, ir kreipėsi į Guthą, norėdamas nustatyti, kiek jų būtų sukurta per Didįjį sprogimą, kai buvo manoma, kad visos dalelės buvo sukurtos. . Iš pradžių, sako Guthas, maniau, kad tai beprotiškas būdas gaišti laiką. Tačiau vis dar tikėdamasis išgarsėti fizikoje, sutiko padėti.
Pora galiausiai padarė išvadą, kad visata turėtų plaukti monopoliais, tačiau taip nėra. Jie taip pat apskaičiavo monopolių svorį ir išsiaiškino, kad jie turi būti labai sunkūs. Šios išvados buvo tik toks indėlis, kurio Guthas ieškojo, tačiau jam ir Tye nespėjus paskelbti savo rezultatų, kitas jaunas tyrėjas juos įveikė.
Taigi jie pradėjo ieškoti kitos naujovės. Jie pradėjo klausinėti, kaip jie galėtų pakeisti teorijas, numatančias magnetinius monopolius, kad paaiškintų visišką monopolių nebuvimą. Jie samprotavo, kad peršalimas – temperatūros sumažinimas žemiau užšalimo taško nesukeliant užšalimo ankstyvojoje visatoje būtų užkirtę kelią monopolių susidarymui. Šį kartą jie nedelsdami paskelbė savo išvadas.
Tada Tye pasiūlė apskaičiuoti, kokį poveikį peršalimas galėjo turėti visatos plėtimosi greičiui. Vieną naktį grįžau namo ir atlikau tą skaičiavimą, – prisimena Gutas. Tiesą sakant, peršalimas daro didžiulę įtaką Visatos plėtimosi greičiui, sako jis, siųsdamas visatą į šį eksponentinį plėtimąsi, kurį dabar vadiname infliacija. Šiuo atveju, Guthas teigė, kad gravitacija veikia atvirkščiai.
Guthas teigė, kad visa visata buvo šimtą milijardų kartų mažesnė už protoną. Visatą valdė dalelių sąveikos dėsniai, kurių mokslininkai vis dar iki galo nesupranta. Atstumianti infliacijos gravitacinė jėga išplėtė taškelio dydžio visatą vos per nedidelę sekundės dalį, todėl augimas atrodė kaip sprogimas. Ir tada infliacija susiliejo su Didžiojo sprogimo teorija.
Tą pačią naktį, pasakęs apie tokį reikšmingą įvykį, Guthas sako, supratau, kad ši eksponentinė plėtra išspręs plokštumo problemą. Ir tai, žinoma, mane nepaprastai sujaudino.
Bangų kūrimas
Kaip infliacija išsprendžia lygumo problemą? Guthas manė, kad metaforinis pieštukas neturi prasidėti nuo savo taško; vietoj to jis galėjo prasidėti nuvertęs. Jo teorija teigia, kad visatos sukūrimo metu gravitacija buvo priešinga, todėl metaforinis pieštukas buvo traukiamas iš horizontalios padėties, kol sustos savo taške. Kitaip tariant, nebūtina manyti, kad ankstyvoji visata prasidėjo kritiniu tankiu. Tiesą sakant, tai galėjo prasidėti toli nuo to, nes atvirkštinė gravitacija paskatintų visatą judėti link kritinis tankis.
Infliacija išsprendė dar vieną problemą. Didysis sprogimas turėjo sukurti visatą, kurios radiacijos temperatūra svyruoja nuo karštos iki šaltos. Tačiau mokslininkai išsiaiškino, kad dideliais masteliais temperatūra visoje visatoje yra vienoda. Jiems buvo sunku paaiškinti šį homogeniškumą, nes nebuvo pakankamai laiko, kad spinduliuotė išsilygintų visoje visatoje. Infliacija paaiškina šią vadinamąją horizonto problemą, nes didelio masto homogeniškumas būtų buvęs nustatytas, kai visata dar buvo mažesnė už protoną, ir ji tiesiog išsiplėtė iki to, ką matome šiandien.
Nuotrauka John MacNeill.
Gutho sprendimai pradėjo kosmologijos revoliuciją, tačiau jo pradinį susijaudinimą netrukus sekė nerimas. Jis buvo jaunas mokslininkas, nepaskyręs į fakultetą ir nebuvo tikras dėl savo teorijos. Labai jaudinausi dėl to, nes jaučiau, kad joje yra per daug dalykų, kurių aš tikrai nesuprantu. Bijojau, kad jis kažkaip sprogs. Nepaisant jo susirūpinimo, 1980 m. pradžioje Guthas paaiškino infliaciją paskaitų cikle kosmologams visoje šalyje.
Alanas pademonstravo neįprastą drąsą – ypač tiems, kurie neturi darbo ar net dėstytojų pareigų – skatindamas infliaciją, sako Michaelas Turneris, Čikagos universiteto astrofizikas.
Tie, kurie jį išgirdo, buvo suintriguoti, ir netrukus pasirodė pasiūlymų dėstytojų pareigoms, nors ir ne iš MIT. Nepaisant to, Guthas norėjo grįžti į savo alma mater, taigi, kai likimo slapukas jam pasakė, kad jūsų laukia įdomi galimybė, jei nesate pernelyg baikštus, jis paskambino į MIT ir pasiūlė save kaip potencialųjį. Vėliau tais pačiais metais jis atvyko į institutą kaip kviestinis docentas. Šiandien, kaip Viktoro F. Weisskopfo fizikos profesorius, jis dirba visai šalia savo sūnaus Larry, matematikos magistrantūros studento. Laris dirba biure, kurį užėmė jo tėvas, būdamas magistrantūros studentas. Sutapimas Guthui atrodo nepaprastai mielas.
Kai kurie Gutho nuogąstavimai dėl jo teorijos pagrįstumo nebuvo nepagrįsti. Padedamas Eriko Weinbergo iš Kolumbijos universiteto, Guthas atrado, kad jo idėja buvo šiek tiek ydinga. Jo paaiškinimas, kaip infliacija paskatino didįjį sprogimą, nepasiteisino. Tačiau kadangi Guthas tikėjo infliacijos svarba, jis parašė straipsnį, kuriame apibūdino ir jo teoriją, ir jos problemas.
Jis parašė dokumentą, sakydamas: „Manau, kad tai labai svarbi idėja, bet galiu parodyti, kad ji neveikia tokia forma, kokią siūlau“, – sako Turneris. Jis pakvietė kitus mokslininkus pagalvoti apie infliaciją ir ją pagerinti. Į jo iššūkį atsakė kiti trys kosmologai. Rusų mokslininkas Andrejus Linde ir nepriklausomai JAV mokslininkai Paulas Steinhardtas (Princetono universitetas) ir Andreasas Albrechtas (Kalifornijos universitetas, Deivisas) sugalvojo modifikaciją, kuri išvengė trūkumo. Jie tai pavadino nauja infliacija. Guthas dalijasi 2002 m. Dirako medaliu su Linde ir Steinhardtu.
Steinhardtas sako, kad infliacija yra labai įdomi idėja, sutelkusi įvairių subdisciplinų fizikus ir paskatinusi atlikti kai kuriuos įdomiausius šiandienos mokslo eksperimentus. Linde, dabar studijuojanti Stanfordo universitete, sako, kad Gutho idėja padėjo pakeisti šiuolaikinę kosmologiją. Tiesą sakant, tai įkvėpė apie 30 variantų-teorijų, kurios kaip pagrindą naudoja infliaciją.
Netrukus po to, kai buvo įvesta nauja infliacija, Guthas ir kiti šeši fizikai pradėjo tirti tankio svyravimų kilmę naujame modelyje. Jie numatė, kaip šie svyravimai pasireikš visatos radiacijos temperatūroje. Šiandien palydovai ir balionų eksperimentai rodo, kad jų prognozuojamas modelis yra nepaprastai tikslus. Turneris, tyrinėjantis šią spinduliuotę, teigia esąs įsitikinęs, kad per ateinantį dešimtmetį šie matavimai bus neabejotinas infliacijos įrodymas.
Guthas, kuris yra Nacionalinės mokslų akademijos narys, sumenkina savo vaidmenį darydamas įtaką tiek daug naujų tyrimų krypčiai. Infliacija būtų sugalvota, nesvarbu, ar aš ją sugalvočiau, ar ne, sako jis. Iš tikrųjų tai buvo tik idėjų, kurios jau buvo žinomos vienam ar kitam fizikai, rinkinys. Man sugalvojus idėją buvo tiesiog daug šansų.
Tačiau Turneriui ir daugybei kitų, mąstančių apie kosmosą, aišku, kad Gutho indėlis buvo raktas į didelę naujausią pažangą, tiek eksperimentinę, tiek teorinę. Alano idėja apie infliaciją pakeitė kosmologų mąstymą apie visatos pradžią, sako Turneris. Mano nuomone, tai pati svarbiausia idėja nuo paties Didžiojo sprogimo.