Es ist tatsächlich sicher, ein Universum in Ihrem Keller zu erschaffen.
Alan Harvey Guth ist ein amerikanischer theoretischer Physiker und Kosmolog. Guth hat sich mit Elementarteilchentheorie und der Anwendbarkeit der Teilchentheorie auf das frühe Universum befasst. Er ist Victor Weisskopf Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology. Zusammen mit Alexei Starobinsky und Andrei Linde gewann er 2014 den Kavli-Preis „für Pionierarbeit in der Theorie der kosmischen Inflation."
Er machte 1968 seinen Abschluss am MIT in Physik und blieb dort, um einen Master- und einen Doktorgrad, ebenfalls in Physik, zu erhalten.
Als Junior-Teilchenphysiker entwickelte Guth 1979 an der Cornell University die Idee der kosmischen Inflation und hielt sein erstes Seminar zu diesem Thema im Januar 1980. Nach seinem Wechsel zur Stanford University stellte Guth 1981 formal die Idee der kosmischen Inflation vor, die Idee, dass das junge Universum eine Phase exponentieller Expansion durchlief, die durch eine positive Vakuumenergiedichte negative Vakuumdruck angetrieben wurde. Die Ergebnisse der WMAP-Mission im Jahr 2006 machten den Fall für kosmische Inflation sehr überzeugend.
Frühen Leben und Ausbildung
Guth wurde 1947 in einer jüdischen Familie in New Brunswick, New Jersey geboren und wuchs jenseits des Raritan River in Highland Park auf, wo er die örtlichen öffentlichen Schulen besuchte. Nach seinem dritten Jahr an der Highland Park High School verließ er die Schule und meldete sich in einem fünfjährigen Programm am Massachusetts Institute of Technology an, wo er seinen Bachelor und seinen Master in zwei weiteren Jahren erhalten konnte. Guth erhielt 1969 einen Bachelor- und Master-Abschluss und 1972 einen Doktorgrad. 1971 heiratete er Susan Tisch, seine Schullieblingsliebe aus der Schulzeit. Sie haben zwei Kinder: Lawrence, geboren 1977, und Jennifer, geboren 1983.
Guth war von 1971 bis 1974 in Princeton, von 1974 bis 1977 in Columbia, von 1977 bis 1979 in Cornell und von 1979 bis 1980 am Stanford Linear Accelerator Center SLAC. Wie viele andere junge Physiker der Baby-Boom-Ära hatte auch er Schwierigkeiten, eine feste Stelle zu finden, da es viel weniger Stellen für Assistenzprofessoren gab als junge Wissenschaftler, die solche Stellen suchten – ein Phänomen, das als die „Generation der verlorenen Gelehrten" bekannt wurde.
Zu Beginn seiner Karriere studierte Guth Teilchenphysik, nicht physikalische Kosmologie. Guths früheste Arbeiten in Princeton waren die Erforschung von Quarks, den Elementarteilchen, die Protonen und Neutronen bilden. In Columbia studierte Guth die große Vereinigung GUTs und konzentrierte sich auf die Phasenübergänge, die durch spontane Symmetriebrechung erzeugt wurden. Die meisten GUTs sagen die Erzeugung von magnetischen Monopolen während spontaner Symmetriebrechung voraus, aber niemals waren welche entdeckt worden – das Monopol-Problem.
Karriere
Inflationstheorie
Guths erster Schritt zur Entwicklung seiner Inflationstheorie fand 1978 an der Cornell University statt, als er einen Vortrag von Robert Dicke über das Flachheitsproblem des Universums hörte. Dicke erklärte, wie das Flachheitsproblem zeigte, dass etwas Bedeutsames aus der damaligen Urknalltheorie fehlte. Das Schicksal des Universums hing von seiner Dichte ab. Wenn die Dichte des Universums groß genug war, würde es in eine Singularität kollabieren, und wenn die tatsächliche Dichte der Materie im Kosmos niedriger als die kritische Dichte war, würde sich das Universum zunehmend viel größer werden.
Der nächste Teil in Guths Weg kam, als er Anfang 1979 einen Vortrag von Steven Weinberg hörte. Weinberg sprach in zwei Vorträgen über die Große Vereinigte Theorie GUT, die seit 1974 entwickelt worden war, und wie sie die riesige Menge an Materie im Universum im Vergleich zu der Menge an Antimaterie erklären könnte. Die GUT erklärte alle bekannten Grundkräfte der Wissenschaft außer der Schwerkraft. Es stellte fest, dass unter sehr heißen Bedingungen, wie denen nach dem Urknall, der Elektromagnetismus, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft vereinigt waren, um eine Kraft zu bilden. Weinberg war auch derjenige, der die Idee betonte, dass das Universum durch Phasenübergänge geht, ähnlich den Phasen der Materie, wenn es von hoher Energie zu niedriger Energie geht. Weinbergs Diskussion darüber, warum Materie so dominant über Antimaterie ist, zeigte Guth, wie präzise Berechnungen über Teilchen durch die Untersuchung der ersten Sekunden des Universums erhalten werden konnten.
Guth beschloss, dieses Problem zu lösen, indem er eine Unterkühlung während eines verzögerten Phasenübergangs vorschlug. Dies schien sehr vielversprechend zur Lösung des Magnetmonopol-Problems. Zu der Zeit, als Guth und sein Mitarbeiter Henry Tye das entwickelt hatten, war Guth für ein Jahr zum Stanford Linear Accelerator Center SLAC gegangen. Tye schlug vor, dass sie überprüften, dass die Expansion des Universums durch die Unterkühlung nicht beeinträchtigt würde. Der unterkühlte Zustand ist ein falsches Vakuum: Er ist insofern ein Vakuum, als er der Zustand der niedrigst möglichen Energiedichte ist; er ist „falsch", da es sich nicht um einen permanenten Zustand handelt. Falsche Vakua zerfallen, und Guth würde feststellen, dass der Zerfall des falschen Vakuums am Anfang des Universums erstaunlicherweise eine exponentielle Expansion des Raums erzeugen würde. Dies löste das Monopol-Problem, da die Expansion die Monopol-Dichte proportional reduzierte.
Guth erkannte aus seiner Theorie, dass der Grund, warum das Universum flach erscheint, darin bestand, dass es sich zu einer überwältigend großen Größe im Vergleich zu seiner ursprünglichen Größe vergrößert hatte. Die Perspektive ist analog zur scheinbaren Flachheit der Erde in menschlichem Maßstab, wenn sie von ihrer Oberfläche aus gesehen wird. Das beobachtbare Universum war tatsächlich nur ein sehr kleiner Teil des tatsächlichen Universums. Die traditionelle Urknalltheorie fand Werte von Omega in der Nähe von 1 verwirrend, da jede Abweichung von 1 schnell viel, viel größer werden würde. In der Inflationstheorie würde Omega, egal wo es anfängt, sich 1 nähern, weil der Maßstab der Expansion des Universums. Tatsächlich ist eine Hauptvorhersage der Inflationstheorie, dass Omega genau 1 sein wird.
Trotz seines Namens ist die Urknalltheorie eigentlich gar keine Theorie eines Knalls. Sie ist wirklich nur eine Theorie der Auswirkungen eines Knalls.
Zwei Wochen später hörte Guth Kollegen über etwas diskutieren, das das Horizont-Problem genannt wird. Die von Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson entdeckte Mikrowellenhintergrundstrahlung erschien extrem einheitlich, mit fast keiner Abweichung. Dies schien sehr paradox, weil die Strahlung etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde, das beobachtbare Universum einen Durchmesser von 90 Millionen Lichtjahren hatte. Es gab keine Zeit für das eine Ende des Kosmos, um mit dem anderen Ende zu kommunizieren, da Energie nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen kann. Das Paradoxon wurde, wie Guth bald erkannte, durch die Inflationstheorie gelöst. Da die Inflation mit einer viel kleineren Menge an Materie als die Urknalltheorie angenommen hatte begann, einer Menge, die so klein war, dass alle Teile miteinander in Kontakt gewesen wären. Das Universum blähte sich dann auf, mit einer Rate entsprechend einer Milliarde mal der Lichtgeschwindigkeit, und die Homogenität blieb ungebrochen. Das Universum nach der Inflation würde sehr einheitlich gewesen sein, obwohl seine Teile nicht mehr in der Lage waren, sich gegenseitig zu beeinflussen.
Guth machte seine Ideen zur Inflation erstmals öffentlich in einem Seminar bei SLAC im Januar 1980. Er ignorierte magnetische Monopole, weil sie auf Annahmen der GUT basierten, die außerhalb des Umfangs der Rede lag. Im August 1980 reichte er sein Papier mit dem Titel „Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems" bei der Zeitschrift Physical Review ein. In diesem Papier postulierte Guth, dass die Inflation des Universums erklärt werden könnte, wenn das Universum 28 Größenordnungen unter den für einen Phasenwechsel erforderlichen kritischen Temperaturen unterkühlt wäre.
Der Raum ist sicherlich etwas viel Komplizierteres, als der Durchschnittsperson wahrscheinlich bewusst ist. Der Raum ist nicht einfach ein leerer Hintergrund, in dem Dinge passieren.
Im Dezember 1981 las Guth ein Papier des Moskauer Physikers Andrei Linde, das besagte, dass sich das ganze Universum in nur einer Blase befindet, so dass nichts durch Wandkollisionen zerstört wird. Diese Schlussfolgerung wurde mit einem Higgs-Feld getroffen, dessen Energiediagramm ursprünglich von Sidney Coleman und Erick Weinberg vorgeschlagen worden war. Guth diskutierte dies mit Linde, der unabhängig an Blasen-Inflation gearbeitet hatte, aber ohne die Flachheitsproblem zu berücksichtigen. Linde und Guth tauschten schließlich Papiere zu diesem Thema aus.
Bis 1983 hatte Guth ein Papier veröffentlicht, das beschrieb, wie sein unterkühltes Universumsszenario nicht ideal war, da der „Triggermechanismus" zum Verlassen eines solchen Zustands „extreme Feinabstimmung der Parameter" erfordern würde und er der Ansicht war, dass eine natürlichere Lösung erforderlich sei. Dies schreckte ihn jedoch nicht ab von dem Glauben, dass sich das Universum in einem Vakuum in seinem frühen Leben exponentiell ausdehnte.
Aktuelle Interessen
In der Vergangenheit hat Guth Gittermaßtheorien, magnetische Monopole und Instantonen, Gott-Zeitmaschinen und eine Reihe anderer Themen in der theoretischen Physik studiert. Vieles von Guths aktuelle Arbeit beinhaltet die Extrapolation von Dichteschwankungen aus verschiedenen Versionen der Inflation, um gegen Beobachtungen zu testen, und die Untersuchung der Inflation in „Brane-World"-Modellen.
Guth ist Victor F. Weisskopf Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology MIT. Er hat mehr als 60 technische Arbeiten zu den Auswirkungen der Inflation und ihrer Wechselwirkungen mit der Teilchenphysik verfasst.
Ehrungen und Auszeichnungen
Er hat viele Auszeichnungen und Medaillen gewonnen, darunter die Medaille des International Center for Theoretical Physics in Triest, Italien, zusammen mit Andrei Linde und Paul Steinhardt, und die Eddington Medal 1996 sowie die 2009 Isaac Newton Medal, verliehen vom British Institute of Physics.
Im Juli 2012 war er ein Erstempfänger des Fundamental Physics Prize, geschaffen von Physiker und Internet-Unternehmer Yuri Milner.
2014 war er Mitempfänger des Kavli-Preises, verliehen von der Norwegischen Akademie der Wissenschaften und Briefe, zusammen mit Andrei Linde der Stanford University und Alexei Starobinsky des Landau-Instituts für Theoretische Physik, „für Pionierarbeit in der Theorie der kosmischen Inflation." Im selben Jahr erhielt Guth den Golden Plate Award der American Academy of Achievement.
2005 gewann Guth den Preis für das unordentlichste Büro in Boston, organisiert von der Boston Globe. Er wurde von Kollegen eingetragen, die hofften, dass er ihn beschämen würde, sein Büro zu ordnen, aber Guth ist sehr stolz auf die Auszeichnung.
Veröffentlichungen
- Guth, Alan 1997. The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. Perseus Books.
- Guth, Alan Fall 2002. „Inflation and the New Era of High-Precision Cosmology" PDF. physics@mit. MIT Department of Physics.
