Алан Гут: Пионер теории космической инфляции

Введение

Американский физик-теоретик и космолог Алан Харви Гут (/g//uː//θ/; родился 27 февраля 1947 года) — американский физик-теоретик и космолог, профессор физики имени Виктора Вайскопфа в Массачусетском технологическом институте. Вместе с Алексеем Старобинским и Андреем Линде он был удостоен премии Кавли 2014 года «за новаторский вклад в теорию космической инфляции». Исследования Гута сосредоточены на теории элементарных частиц и применении этой теории к ранней Вселенной. Он окончил МТИ в 1968 году по специальности «физика» и продолжил обучение там, получив степени магистра и доктора физических наук. Работая младшим научным сотрудником в области физики частиц, Гут разработал идею космической инфляции в 1979 году в Корнелле и представил свой первый семинар на эту тему в январе 1980 года. Перейдя в теоретическую группу SLAC при Стэнфордском университете, Гут формально предложил теорию космической инфляции в 1981 году, согласно которой юная Вселенная прошла через фазу экспоненциального расширения, обусловленную положительной плотностью энергии вакуума (отрицательным давлением вакуума). Результаты миссии WMAP, полученные в 2006 году, предоставили весьма убедительные доказательства в пользу теории космической инфляции.

Ранние годы и образование

Гут родился в еврейской семье в Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси, в 1947 году и вырос на другом берегу реки Раритан в Хайленд-парке, где посещал местные государственные школы. После окончания третьего курса средней школы Хайленд-Парк он оставил учёбу и поступил в пятилетнюю программу в Массачусетский технологический институт, где мог получить степени бакалавра и магистра ещё через два года. Гут получил степени бакалавра и магистра в 1969 году, а докторскую степень – в 1972 году. В 1971 году он женился на Сьюзан Тиш, своей школьной любви. Гут работал в Принстоне с 1971 по 1974 год, в Колумбийском университете с 1974 по 1977 год, в Корнелле с 1977 по 1979 год и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) с 1979 по 1980 год. Как и многие другие молодые физики поколения бэби-бума, он испытывал трудности с поиском постоянной работы, поскольку количество вакансий ассистентов профессоров было значительно меньше, чем число молодых учёных, претендующих на них – явление, получившее название «поколение потерянных специалистов». В начале своей карьеры Гут изучал физику частиц, а не физическую космологию. Его первые работы в Принстоне были посвящены изучению кварков, элементарных частиц, составляющих протоны и нейтроны. В Колумбийском университете Гут изучал теории великого объединения (GUT), уделяя особое внимание космологическим фазовым переходам, возникающим в результате спонтанного нарушения симметрии. Большинство теорий GUT предсказывают образование магнитных монополей при спонтанном нарушении симметрии, однако ни один из них до сих пор не был обнаружен – это проблема магнитных монополей.

Инфляционная теория

Первый шаг Гута в развитии своей теории инфляции произошел в Корнелле в 1978 году, когда он посетил лекцию Роберта Дикка о проблеме плоскостности Вселенной. Дик объяснил, как проблема плоскостности показала, что в теории Большого взрыва в то время чего-то существенного не хватало. Судьба Вселенной зависела от ее плотности. Если бы плотность Вселенной была достаточно велика, она бы коллапсировала в сингулярность, а если бы фактическая плотность материи в космосе была ниже критической плотности, Вселенная бы становилась все больше и больше. Следующий этап на пути Гута наступил, когда он услышал лекцию Стивена Вайнберга в начале 1979 года. Вайнберг в двух лекциях рассказывал о Великой Объединенной Теории (GUT), разработанной с 1974 года, и о том, как она может объяснить огромное количество материи во Вселенной по сравнению с количеством антиматерии. GUT объясняла все известные науке фундаментальные силы, кроме гравитации. Она установила, что в очень горячих условиях, таких как после Большого взрыва, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие объединялись в одну силу. Вайнберг также подчеркнул идею о том, что Вселенная проходит через фазовые переходы, подобные фазам материи, при переходе от высокой энергии к низкой энергии. Обсуждение Вайнбергом того, почему материя так преобладает над антиматерией, показало Гуту, как можно получать точные расчеты относительно частиц, изучая первые несколько секунд существования Вселенной. Гут решил решить эту проблему, предложив сверхпереохлаждение во время замедленного фазового перехода. Это казалось очень перспективным для решения проблемы магнитных монополей. К тому времени, когда Гут и его коллега Генри Тай пришли к этому, Гут уже год работал в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC). Тай предложил проверить, не повлияет ли сверхпереохлаждение на расширение Вселенной. Сверхпереохлажденное состояние – это ложный вакуум: это вакуум в том смысле, что это состояние наименьшей возможной плотности энергии; оно "ложное", поскольку его состояние не является постоянным. Ложные вакуумы распадаются, и Гут обнаружил, что распад ложного вакуума в начале Вселенной приведет к экспоненциальному расширению пространства. Это решило проблему магнитных монополей, поскольку расширение пропорционально уменьшает плотность монополей. Гут понял из своей теории, что причина, по которой Вселенная кажется плоской, заключается в том, что она увеличилась до огромных размеров по сравнению с ее первоначальным размером. Эта перспектива аналогична кажущейся плоскостности Земли в человеческом масштабе, при наблюдении с ее поверхности. Наблюдаемая Вселенная была лишь очень маленькой частью реальной Вселенной. Традиционная теория Большого взрыва считала значения омега близкими к 1 загадочными, поскольку любые отклонения от 1 быстро становились бы намного больше. В теории инфляции, независимо от начального значения омега, она будет приближаться к 1 из-за масштаба расширения Вселенной. Фактически, одним из основных предсказаний инфляционной теории является то, что омега будет точно равна 1. Две недели спустя Гут услышал, как коллеги обсуждают так называемую проблему горизонта. Микроволновое фоновое излучение, обнаруженное Арно Пензиасом и Робертом Вудро Вильсоном, казалось чрезвычайно однородным, почти без каких-либо вариаций. Это казалось очень парадоксальным, потому что когда излучение было испущено примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, диаметр наблюдаемой Вселенной составлял 90 миллионов световых лет. Не было времени для того, чтобы один конец космоса общался с другим, поскольку энергия не может двигаться быстрее скорости света. Парадокс был разрешен, как вскоре понял Гут, теорией инфляции. Поскольку инфляция началась с гораздо меньшего количества материи, чем предполагал Большой взрыв, с количества настолько малого, что все части должны были быть в контакте друг с другом. Затем Вселенная расширилась со скоростью, соответствующей миллиарду скоростей света, и однородность осталась не нарушенной. Вселенная после инфляции была бы очень однородной, даже если ее части больше не могли бы влиять друг на друга. Гут впервые публично представил свои идеи об инфляции на семинаре в SLAC в январе 1980 года. Он проигнорировал магнитные монополи, поскольку они основывались на предположениях GUT, которые выходили за рамки темы его выступления. В августе 1980 года он представил свою статью под названием «Инфляционная Вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности» в журнал Physical Review. В этой статье Гут постулировал, что инфляция Вселенной может быть объяснена, если Вселенная была сверхпереохлаждена на 28 порядков ниже критических температур, необходимых для фазового перехода. В декабре 1981 года Гут прочитал статью московского физика Андрея Линде, в которой говорилось, что вся Вселенная находится всего лишь внутри одной пузырьковой области, поэтому ничто не разрушается при столкновении стенок. Этот вывод был сделан с использованием поля Хиггса с энергетическим графиком, который первоначально был предложен Сиднеем Колеманом и Эриком Вайнбергом. Гут обсудил это с Линде, который независимо работал над пузырьковой инфляцией, но не учитывал проблему плоскостности. Линде и Гут в конечном итоге обменялись статьями по этой теме. К 1983 году Гут опубликовал статью, в которой описывал, как его сценарий сверхпереохлажденной Вселенной не является идеальным, поскольку «механизм запуска» для выхода из такого состояния потребовал бы «экстремальной тонкой настройки параметров», и почувствовал, что необходимо более естественное решение. Однако это не удержало его от убеждения, что Вселенная расширялась экспоненциально в вакууме в начале своего существования.

Guth's first step to developing his theory of inflation occurred at Cornell in 1978, when he attended a lecture by Robert Dicke about the flatness problem of the universe. Dicke explained how the flatness problem showed that something significant was missing from the Big Bang theory at the time. The fate of the universe depended on its density. If the density of the universe was large enough, it would collapse into a singularity, and if the actual density of the matter in the cosmos was lower than the critical density, the universe would increasingly get much bigger. The next part in Guth's path came when he heard a lecture by Steven Weinberg in early 1979. Weinberg talked in two lectures about the Grand Unified Theory (GUT) that had been developed since 1974, and how it could explain the huge amount of matter in the universe compared to the amount of antimatter. The GUT explained all the fundamental forces known in science except for gravity. It established that in very hot conditions, such as those after the Big Bang, electromagnetism, the strong nuclear force, and the weak nuclear force were united to form one force. Weinberg also was the one who emphasized the idea that the universe goes through phase transitions, similar to the phases of matter, when going from high energy to low energy. Weinberg's discussion of why matter is so dominant over anti matter showed Guth how precise calculations about particles could be obtained by studying the first few seconds of the universe. Guth decided to solve this problem by suggesting a supercooling during a delayed phase transition. This seemed very promising for solving the magnetic monopole problem. By the time Guth and his collaborator Henry Tye came up with that, Guth had gone to the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) for a year. Tye suggested that they check that the expansion of the universe would not be affected by the supercooling. The supercooled state is a false vacuum: It is a vacuum in the sense that it is the state of the lowest possible density of energy; it is "false" since its state is not permanent. False vacuums decay, and Guth found that the decay of the false vacuum at the beginning of the universe would produce an exponential expansion of space. This solved the monopole problem, since the expansion proportionately reduces the monopole density. Guth realized from his theory that the reason the universe appears to be flat was that it had enlarged to such an overwhelming size in comparison to its original size. The perspective is analogous to the apparent flatness of the Earth, on a human scale, when seen from its surface. The observable universe was actually only a very small part of the actual universe. Traditional Big Bang theory found values of omega near 1 to be puzzling, because any deviations from 1 would quickly become much, much larger. In inflation theory, no matter where omega starts, it would approach 1 because of the scale of the universe's expansion. In fact, a major prediction of inflationary theory is that omega will be found to be precisely 1. Two weeks later, Guth heard colleagues discussing something called the horizon problem. The microwave background radiation discovered by Arno Penzias and Robert Woodrow Wilson appeared extremely uniform, with almost no variance. This seemed very paradoxical because when the radiation was released about 300,000 years after the Big Bang, the observable universe had a diameter of 90 million light years. There was no time for one end of the cosmos to communicate with the other end, because energy cannot move faster than the speed of light. The paradox was resolved, as Guth soon realized, by the inflation theory. Since inflation started with a far smaller amount of matter than the Big Bang had presupposed, an amount so small that all parts would have been in touch with each other. The universe then inflated, at a rate corresponding to a billion times the speed of light, and the homogeneity remained unbroken. The universe after inflation would have been very uniform, even though its parts were no longer able to influence each other. Guth first made public his ideas on inflation in a seminar at SLAC in January 1980. He ignored magnetic monopoles because they were based on assumptions of GUT, which was outside the scope of the speech. In August 1980, he submitted his paper, entitled "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems" to the journal Physical Review. In this paper Guth postulated that the inflation of the universe could be explained if the universe were supercooled 28 orders of magnitude below the critical temperatures required for a phase change. In December 1981, Guth read a paper from Moscow physicist Andrei Linde saying that the whole universe is within just one bubble, so nothing is destroyed by wall collisions. This conclusion was made using a Higgs field with an energy graph that was originally proposed by Sidney Coleman and Erick Weinberg. Guth discussed this with Linde, who had independently been working on bubble inflation, but without considering the flatness problem. Linde and Guth eventually exchanged papers on the subject. By 1983, Guth had published a paper describing how his supercooled universe scenario was not ideal, as the "triggering mechanism" to exit such a state would require "extreme fine tuning of parameters" and felt a more natural solution was required. However, this did not deter him from the belief that the universe expanded exponentially in a vacuum in its early lifetime.

Текущие интересы

В прошлом Гут изучал теорию решетчатых калибровочных полей, магнитные монополи и инстантоны, машины времени Готта и ряд других тем в теоретической физике. Большая часть текущей работы Гута включает экстраполяцию флуктуаций плотности, возникающих из различных моделей инфляции, для проверки соответствия наблюдательным данным, а также исследование инфляции в "брановых" моделях мира. Он является профессором физики имени Виктора Ф. Вайскопфа в Массачусетском технологическом институте (MIT). Он является автором более 60 научных статей, посвященных эффектам инфляции и ее взаимодействию с физикой частиц.

Почести и награды

Гут удостоен множества наград и медалей, включая медаль Международного центра теоретической физики в Триесте, Италия, совместно с Андреем Линде и Полом Штайнхардтом, медаль Эддингтона в 1996 году и медаль Исаака Ньютона в 2009 году, присужденную Британским институтом физики. В июле 2012 года он стал одним из первых лауреатов премии Breakthrough Prize in Fundamental Physics, учрежденной физиком и интернет-предпринимателем Юрием Мильнером. В 2014 году он разделил премию Кавли, присуждаемую Норвежской академией наук и литературы, с Андреем Линде из Стэнфордского университета и Алексеем Старобинским из Института теоретической физики Ландау «за новаторский вклад в теорию космической инфляции». В том же году Гут получил награду «Золотая пластина» Американской академии достижений. В 2005 году Гут выиграл конкурс на самый захламленный офис в Бостоне, организованный The Boston Globe. Его коллеги надеялись, что это заставит его навести порядок, но Гут весьма гордится этой наградой.