На самом деле безопасно создать вселенную в своем подвале.
Alan Harvey Guth — американский теоретический физик и космолог. Guth проводил исследования в области элементарной физики частиц и того, как теория частиц применима к ранней вселенной. Он является профессором физики Victor Weisskopf в Массачусетском технологическом институте. Вместе с Alexei Starobinsky и Andrei Linde он выиграл премию Kavli 2014 года «за развитие теории космической инфляции».
Он окончил MIT в 1968 году со специализацией по физике и остался там, чтобы получить степень магистра и доктора философии, также по физике.
Как молодой физик-частичник, Guth разработал идею космической инфляции в 1979 году в Cornell и провел свой первый семинар по этой теме в январе 1980 года. Переехав в Stanford University, Guth формально предложил идею космической инфляции в 1981 году — идею о том, что nascent вселенная прошла через фазу экспоненциального расширения, которое было вызвано положительной плотностью энергии вакуума отрицательным давлением вакуума. Результаты миссии WMAP в 2006 году сделали случай космической инфляции очень убедительным.
Ранняя жизнь и образование
Guth родился в еврейской семье в New Brunswick, Нью-Джерси в 1947 году и вырос по другую сторону реки Raritan в Highland Park, где посещал местные государственные школы. После третьего курса в Highland Park High School он покинул школу и зачислился в пятилетнюю программу в Массачусетском технологическом институте, где мог получить степень бакалавра и магистра еще за два года. Guth получил степень бакалавра и магистра в 1969 году и докторскую степень в 1972 году. В 1971 году он женился на Susan Tisch, своей любви со школьных времен. У них двое детей: Lawrence, рожденный в 1977 году, и Jennifer, рожденная в 1983 году.
Guth работал в Princeton с 1971 по 1974 год, Columbia с 1974 по 1977 год, Cornell с 1977 по 1979 год и в Stanford Linear Accelerator Center SLAC с 1979 по 1980 год. Как и многие другие молодые физики эпохи беби-бума, ему было трудно найти постоянную работу, потому что было гораздо меньше должностей доцентов, чем молодых ученых, ищущих такие должности — явление, которое называли «поколением потерянных ученых».
В начале своей карьеры Guth изучал физику частиц, а не физическую космологию. Самая ранняя работа Guth в Princeton была посвящена изучению кварков — элементарных частиц, которые составляют протоны и нейтроны. В Columbia Guth изучал Великое объединение GUTs, сосредотачиваясь на фазовых переходах, порожденных спонтанным нарушением симметрии. Большинство GUTs предсказывают генерацию магнитных монополей при спонтанном нарушении симметрии, но ни один никогда не был обнаружен — проблема монополя.
Карьера
Теория инфляции
Первый шаг Guth к развитию его теории инфляции произошел в Cornell в 1978 году, когда он посетил лекцию Robert Dicke о проблеме плоскостности вселенной. Dicke объяснил, как проблема плоскостности показала, что в теории Большого взрыва того времени что-то значительное отсутствовало. Судьба вселенной зависела от ее плотности. Если плотность вселенной была достаточно большой, она бы коллапсировала в сингулярность, а если фактическая плотность материи в космосе была ниже критической плотности, вселенная становилась бы все больше и больше.
Следующая часть пути Guth началась, когда он услышал лекцию Steven Weinberg в начале 1979 года. Weinberg говорил в двух лекциях о Великой объединенной теории GUT, которая разрабатывалась с 1974 года, и о том, как она могла бы объяснить огромное количество материи во вселенной по сравнению с количеством антиматерии. GUT объяснила все известные в науке фундаментальные силы, кроме гравитации. Она установила, что в очень горячих условиях, таких как те, что были после Большого взрыва, электромагнетизм, сильная ядерная сила и слабая ядерная сила были объединены в одну силу. Weinberg также был тем, кто подчеркнул идею о том, что вселенная проходит фазовые переходы, подобные фазам материи, при переходе от высокой энергии к низкой энергии. Обсуждение Weinberg о том, почему материя доминирует над антиматерией, показало Guth, как можно получить точные расчеты о частицах, изучая первые несколько секунд вселенной.
Guth решил решить эту проблему, предложив переохлаждение во время отложенного фазового перехода. Это казалось очень многообещающим для решения проблемы магнитного монополя. К тому времени, когда Guth и его сотрудник Henry Tye разработали это, Guth отправился в Stanford Linear Accelerator Center SLAC на год. Tye предложили проверить, что расширение вселенной не будет затронуто переохлаждением. Переохлажденное состояние — это ложный вакуум: это вакуум в смысле, что это состояние наименьшей возможной плотности энергии; это «ложный», так как он не является постоянным состоянием. Ложные вакуумы распадаются, и Guth обнаружил бы, что удивительно, распад ложного вакуума в начале вселенной произведет экспоненциальное расширение пространства. Это решило проблему монополя, так как расширение пропорционально снижает плотность монополя.
Guth понял из своей теории, что причина, по которой вселенная кажется плоской, заключалась в том, что она увеличилась до такого подавляющего размера по сравнению с ее исходным размером. Перспектива аналогична видимой плоскостности Земли в человеческом масштабе при виде с ее поверхности. Наблюдаемая вселенная была на самом деле очень маленькой частью фактической вселенной. Традиционная теория Большого взрыва обнаружила значения омега близкие к 1 как озадачивающие, потому что любые отклонения от 1 быстро становились бы намного, намного больше. В теории инфляции, независимо от того, где начинается омега, она приблизилась бы к 1 из-за масштаба расширения вселенной. Фактически, основное предсказание теории инфляции состоит в том, что омега будет найдена как точно равная 1.
Несмотря на свое название, теория Большого взрыва на самом деле не является теорией самого взрыва. Это действительно только теория последствий взрыва.
Две недели спустя Guth услышал коллег, обсуждающих то, что называется проблемой горизонта. Излучение микроволнового фона, открытое Arno Penzias и Robert Woodrow Wilson, казалось чрезвычайно однородным, с почти полным отсутствием дисперсии. Это казалось очень парадоксальным, потому что когда излучение было высвобождено примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, наблюдаемая вселенная имела диаметр 90 миллионов световых лет. Не было времени для одного конца космоса, чтобы общаться с другим концом, потому что энергия не может двигаться быстрее скорости света. Парадокс был разрешен, как вскоре понял Guth, теорией инфляции. Поскольку инфляция началась с гораздо меньшего количества материи, чем предполагала теория Большого взрыва, количество столь малое, что все части были бы в контакте друг с другом. Вселенная затем раздулась со скоростью, соответствующей миллиарду раз скорость света, и однородность осталась неразрушенной. Вселенная после инфляции была бы очень однородной, хотя ее части больше не могли влиять друг на друга.
Guth впервые обнародовал свои идеи об инфляции на семинаре в SLAC в январе 1980 года. Он игнорировал магнитные монополи, потому что они были основаны на предположениях GUT, которые выходили за рамки речи. В августе 1980 года он подал свою статью под названием «Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems» в журнал Physical Review. В этой статье Guth предположил, что инфляция вселенной могла бы быть объяснена, если бы вселенная была переохлаждена на 28 порядков ниже критических температур, требуемых для изменения фазы.
Пространство — это, безусловно, что-то более сложное, чем средний человек, вероятно, понимал бы. Пространство — это не просто пустой фон, в котором происходят события.
В декабре 1981 года Guth прочитал статью московского физика Andrei Linde, говорящую, что вся вселенная находится в пределах одного пузыря, поэтому ничего не разрушается столкновениями стенок. Этот вывод был сделан с использованием поля Higgs с графиком энергии, который первоначально был предложен Sidney Coleman и Erick Weinberg. Guth обсудил это с Linde, который независимо работал над инфляцией пузыря, но без учета проблемы плоскостности. Linde и Guth в конце концов обменялись статьями по этому вопросу.
К 1983 году Guth опубликовал статью, описывающую, как его сценарий переохлажденной вселенной был неидеальным, так как «механизм срабатывания» выхода из такого состояния потребовал бы «экстремальной тонкой настройки параметров» и он чувствовал, что требуется более естественное решение. Однако это не помешало ему вере в то, что вселенная расширялась экспоненциально в вакууме в её ранней жизни.
Текущие интересы
В прошлом Guth изучал теорию решеточной калибровки, магнитные монополи и инстантоны, машины времени Gott и ряд других тем в теоретической физике. Большая часть текущей работы Guth включает экстраполирование флуктуаций плотности, вытекающих из различных версий инфляции, для проверки против наблюдений и исследование инфляции в моделях «brane world».
Guth является профессором физики Victor F. Weisskopf в Массачусетском технологическом институте MIT. Он написал более 60 технических статей, связанных с эффектами инфляции и её взаимодействиями с физикой частиц.
Награды и почести
Он выиграл много наград и медалей, включая медаль Международного центра теоретической физики, Триест, Италия, вместе с Andrei Linde и Paul Steinhardt, а также медаль Eddington в 1996 году и медаль Isaac Newton 2009 года, присуждаемую Британским институтом физики.
В июле 2012 года он был лауреатом премии Fundamental Physics Prize, созданной физиком и интернет-предпринимателем Yuri Milner.
В 2014 году он был сопричастником премии Kavli, присуждаемой Норвежской академией наук и литературы, вместе с Andrei Linde из Stanford University и Alexei Starobinsky из Landau Institute for Theoretical Physics, «за развитие теории космической инфляции». В том же году Guth получил премию Golden Plate Award Американской академии достижений.
В 2005 году Guth выиграл награду за самый беспорядочный офис в Boston, организованную Boston Globe. Его выдвинули коллеги в надежде, что это заставит его стыдиться и привести офис в порядок, но Guth весьма гордится этой наградой.
Публикации
- 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.
