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Vor dem Urknall
Alan Guths Karriere war in der Luft. Als ehrgeiziger Postdoc an der Cornell University im Jahr 1978 suchte Guth nach einer Möglichkeit, einen Beitrag zu seinem Gebiet der Teilchenphysik zu leisten, aber seine Forschung hatte wenig Interesse gefunden. Er musste auch einen festen Job finden, um seine Frau Susan und sein Baby Larry zu unterstützen. Aber auch seine Jobsuche war nicht gut verlaufen.
In diesem Herbst hatte ein Trio von Kosmologen oder Theoretikern des frühen Universums den Nobelpreis für Physik gewonnen. Bald schwirrten Diskussionen über den Ursprung des Universums und insbesondere die Urknalltheorie – die Idee, dass das Universum mit einer Explosion begann und dass sich seitdem alle Materie nach außen bewegt – in den Hallen der Akademie und in der Öffentlichkeit. Als also ein Kosmologe nach Cornell kam, um zu sprechen, ging Guth '69, SM '69, PhD '72, um zu hören, was er zu sagen hatte. Der Dozent, Robert Dicke, sprach unter anderem von einem komplexen kosmologischen Problem, das Wissenschaftler nicht lösen konnten. Es hat mein Interesse geweckt, sagt Guth. Dickes Vortrag schien den Schluss zu ziehen, dass die traditionelle Urknalltheorie etwas Wichtiges auslässt. Zwei Jahre später stieß Guth bei seinen Recherchen auf einem ganz anderen Gebiet auf das fehlende Stück.
1981 stellte er seine Erklärung vor und nannte sie Inflation. Seitdem hat die Theorie viel Aufmerksamkeit erregt. In den Jahren seit seinem Erscheinen wurde Guths Originalarbeit in mehr als 2.000 Publikationen zitiert, und im vergangenen Herbst erhielt sein Autor die renommierte Dirac-Medaille, die von vielen Beobachtern als Vorläufer eines Nobelpreises angesehen wird. Heute nennen Kosmologen Guths Idee ein neues Paradigma, eine der wenigen überaus einflussreichen Theorien des Universums des letzten halben Jahrhunderts.
Der Weg zur Entdeckung
Guths Büro ist ein Regenwald aus losem Papier. Obwohl es geräumig ist für die Bude eines Professors – zwei- bis dreimal so groß wie die meisten Universitätsbüros – ist fast jeder Zentimeter Boden, Möbel und Fensterbrett mit Büchern, Papierfetzen, Manila-Ordnern und Zeitschriften übersät. Guth, dessen struppiges Haar immer wieder über die Brillenränder rutscht, setzt Ideen aus diesen verschiedenen Quellen zusammen und fügt die Teile zusammen, die sein Interesse wecken und seine Fantasie anregen. Während er seine Theorien entwickelt, greift er auch auf sein Wissen zurück. Guth hat auf diese Weise seine ersten Erfahrungen mit der Inflationstheorie gemacht: Er sammelte eine Menge theoretischer Probleme und kam, um Verbindungen zwischen ihnen zu sehen.
Guths Theorie entstand eher zufällig, als er anfing, bisher unverbundene Forschung mit seiner eigenen Arbeit zu verweben. Angefangen hat alles mit dem Vortrag, in dem Dicke das komplexe kosmologische Rätsel um die Menge und Verteilung der Materie im Universum beschrieb. Kosmologen wissen nicht genau, wie viel Materie im Universum ist. Wenn sie über die vorhandene Menge sprechen, vergleichen sie sie mit einer kritischen Dichte. Diese Dichte entspricht der Menge an Materie, die ein Universum benötigt, um flach zu werden.
Zur Zeit von Dickes Vortrag zeigten wissenschaftliche Beobachtungen, dass das Universum innerhalb von 10 Prozent der kritischen Dichte lag, aber heute können Kosmologen zeigen, dass das Universum tatsächlich innerhalb von fünf Prozent liegt. Damit das heutige Universum innerhalb von fünf Prozent der kritischen Dichte liegt, müsste das Universum eine Sekunde nach dem Urknall extrem nahe an der kritischen Dichte gewesen sein. Aber im Kontext der Urknalltheorie gibt es keinen bekannten Grund, warum das Universum in der Nähe der kritischen Dichte begonnen hätte, sagt Guth. Dieses Rätsel wurde als Flachheitsproblem bezeichnet.
Guth beschreibt eine andere Denkweise: Die Dichte des Universums ähnelt einem Bleistift, der auf seiner Spitze ausbalanciert ist. Wenn es perfekt ausbalanciert ist, hat es eine kritische Dichte. Wenn es keine Kraft stört, bleibt es im Gleichgewicht. Aber wenn es in irgendeine Richtung gestoßen wird, wird es aus seinem Gleichgewichtspunkt fallen. In gewisser Weise befindet sich das Universum heute in der Nähe dieses Gleichgewichtspunkts. Aber die Wissenschaftler wussten keinen Grund, warum der Bleistift gerade angefangen hätte. Die Tatsache, dass die Schwerkraft immer anzieht, war für sie selbstverständlich – was bedeutete, dass der Bleistift natürlich kippen würde. Guth würde später entdecken, dass es plausible Umstände gibt, unter denen die Schwerkraft abstößt.
Das Flachheitsproblem brachte Guth dazu, über das frühe Universum nachzudenken, aber es waren seine Arbeiten über magnetische Monopole – ein scheinbar nicht verwandtes Feld, das er später mit der Kosmologie kombinierte –, die zu seiner Inflationstheorie führten. Monopole sind eine theoretische Art von magnetischen Elementarteilchen mit einer einzigen Ladung. Henry Tye, ein Postdoc-Kollege in Cornell, interessierte sich für Theorien, die die Existenz magnetischer Monopole vorhersagten, und wandte sich an Guth, um herauszufinden, wie viele beim Urknall entstanden wären, wenn man dachte, alle Teilchen seien entstanden . Zuerst, sagt Guth, dachte ich, das sei eine verrückte Zeitverschwendung. Aber immer noch in der Hoffnung, sich in der Physik einen Namen zu machen, erklärte er sich bereit zu helfen.
Das Paar folgerte schließlich, dass das Universum in Monopolen schwimmen sollte, aber das ist es nicht. Sie berechneten auch das Gewicht von Monopolen und stellten fest, dass sie sehr schwer sein müssen. Diese Ergebnisse waren genau die Art von Beitrag, nach der Guth gesucht hatte, aber bevor er und Tye ihre Ergebnisse veröffentlichen konnten, schlug ein anderer junger Forscher sie über den Haufen.
Also machten sie sich auf die Suche nach einer weiteren Innovation. Sie begannen zu fragen, wie sie die Theorien, die magnetische Monopole vorhersagen, modifizieren könnten, um das vollständige Fehlen von Monopolen zu erklären. Sie argumentierten, dass eine Unterkühlung – das Senken der Temperatur unter den Gefrierpunkt, ohne das Gefrieren zu bewirken – im frühen Universum die Produktion der Monopole verhindert hätte. Diesmal veröffentlichten sie ihre Ergebnisse sofort.
Als nächstes schlug Tye vor, die Auswirkungen der Unterkühlung auf die Expansionsrate des Universums zu berechnen. Ich bin eines Nachts nach Hause gegangen und habe die Rechnung gemacht, erinnert sich Guth. Tatsächlich beeinflusst die Unterkühlung die Expansionsrate des Universums enorm, sagt er, und schickt das Universum in diese exponentielle Expansion, die wir heute Inflation nennen. In diesem Fall, theoretisierte Guth, funktioniert die Schwerkraft umgekehrt.
Guth postulierte, dass das gesamte Universum ursprünglich hundert Milliarden Mal kleiner war als ein Proton. Das Universum wurde von den Gesetzen der Teilchenwechselwirkung regiert, die Wissenschaftler immer noch nicht vollständig verstehen. Die abstoßende Gravitationskraft der Inflation vergrößerte das fleckengroße Universum in nur einem winzigen Bruchteil einer Sekunde und ließ das Wachstum wie eine Explosion aussehen. Und dann verschmolz die Inflation mit der Urknalltheorie.
Nachdem ich ein so bedeutsames Ereignis postuliert hatte, sagte Guth, habe ich noch in derselben Nacht erkannt, dass diese exponentielle Expansion das Flachheitsproblem lösen würde. Und das hat mich natürlich sehr aufgeregt.
Wellen machen
Wie löst Inflation das Flachheitsproblem? Guths Idee war, dass der metaphorische Bleistift nicht bei seinem Punkt beginnen muss; stattdessen hätte es in einer gekippten Position beginnen können. Seine Theorie besagt, dass die Schwerkraft bei der Erschaffung des Universums umgekehrt wurde, sodass der metaphorische Bleistift aus einer horizontalen Position gezogen wurde, bis er an seiner Spitze stoppte. Mit anderen Worten, es ist nicht notwendig anzunehmen, dass das frühe Universum mit einer kritischen Dichte begann. Tatsächlich hätte es weit davon entfernt beginnen können, denn die umgekehrte Schwerkraft würde das Universum in Bewegung setzen zu kritische Dichte.
Die Inflation löste ein weiteres Problem. Der Urknall soll ein Universum mit Strahlungstemperaturen von heiß bis kalt erzeugt haben. Wissenschaftler hatten jedoch herausgefunden, dass die Temperaturen auf großen Skalen im gesamten Universum homogen sind. Es fiel ihnen schwer, diese Homogenität zu erklären, da die Strahlung nicht genügend Zeit hatte, um sich im gesamten Universum auszugleichen. Inflation erklärt dieses sogenannte Horizontproblem, weil die großräumige Homogenität hergestellt worden wäre, als das Universum noch kleiner als ein Proton war, und sie hat sich einfach auf das ausgedehnt, was wir heute sehen.
Bild von John MacNeill.
Guths Lösungen lösten eine Revolution in der Kosmologie aus, doch seiner anfänglichen Aufregung folgte bald Angst. Er war ein junger Forscher ohne Lehrstuhlanstellung, und er war sich seiner Theorie nicht sicher. Ich war sehr nervös, weil ich das Gefühl hatte, dass es zu viele Dinge gab, die ich wirklich nicht verstand. Ich hatte Angst, dass es irgendwie explodiert. Trotz seiner Bedenken erklärte Guth Anfang 1980 die Inflation in einer Reihe von Vorträgen für Kosmologen im ganzen Land.
Alan bewies ungewöhnlichen Mut – vor allem für jemanden ohne Anstellung oder sogar eine Fakultätsposition –, als er eine Inflation anzettelte, sagt Michael Turner, ein Astrophysiker der University of Chicago.
Diejenigen, die ihn hörten, waren fasziniert, und bald tauchten Angebote für Fakultätspositionen auf, wenn auch nicht vom MIT. Trotzdem wollte Guth an seine Alma Mater zurückkehren, und als ihm ein Glückskeks sagte, dass ihm eine aufregende Gelegenheit bevorstehe, wenn man nicht zu schüchtern ist, rief er das MIT an und bot sich als Interessent an. Später in diesem Jahr kam er als Gastdozent an das Institut. Heute arbeitet er als Victor-F.-Weisskopf-Professor für Physik direkt neben seinem Sohn Larry, einem Doktoranden der Mathematik. Larry arbeitet im Büro seines Vaters als Doktorand, ein Zufall, den Guth enorm süß findet.
Einige von Guths Bedenken hinsichtlich der Gültigkeit seiner Theorie waren nicht unbegründet. Mit Hilfe von Erick Weinberg von der Columbia University entdeckte Guth, dass seine Idee leicht fehlerhaft war. Seine Erklärung, wie die Inflation zum Urknall führte, funktionierte nicht. Aber weil Guth an die Bedeutung der Inflation glaubte, schrieb er einen Artikel, der sowohl seine Theorie als auch ihre Probleme beschrieb.
Er schrieb ein Papier, in dem er sagte, dass dies eine sehr wichtige Idee ist, aber ich kann zeigen, dass sie in der von mir vorgeschlagenen Form nicht funktioniert“, sagt Turner. Er lud andere Wissenschaftler ein, über Inflation nachzudenken und sie zu verbessern. Drei weitere Kosmologen reagierten auf seine Herausforderung. Der russische Wissenschaftler Andrei Linde und unabhängig voneinander die US-Forscher Paul Steinhardt (Princeton University) und Andreas Albrecht (University of California, Davis) haben eine Modifikation entwickelt, die den Fehler vermeidet. Sie nannten es neue Inflation. Guth teilt sich die Dirac-Medaille 2002 mit Linde und Steinhardt.
Inflation ist eine sehr spannende Idee, die Physiker aus einer Reihe von Teildisziplinen zusammengebracht und einige der aufregendsten Experimente in der heutigen Wissenschaft motiviert hat, sagt Steinhardt. Linde, jetzt an der Stanford University, sagt, Guths Idee habe dazu beigetragen, die moderne Kosmologie zu verändern. Tatsächlich hat es etwa 30 Variationstheorien inspiriert, die die Inflation als Grundlage verwenden.
Kurz nach Einführung der neuen Inflation begannen Guth und sechs weitere Physiker, den Ursprung der Dichtefluktuationen im neuen Modell zu untersuchen. Sie sagten ein Muster voraus, wie diese Schwankungen in der Strahlungstemperatur des Universums aussehen würden. Heute zeigen Satelliten und ballonbasierte Experimente, dass das von ihnen vorhergesagte Muster bemerkenswert genau ist. Turner, der diese Strahlung untersucht, ist zuversichtlich, dass diese Messungen in den nächsten zehn Jahren einen eindeutigen Beweis für die Inflation liefern werden.
Guth, der Mitglied der National Academy of Sciences ist, spielt seine Rolle bei der Beeinflussung der Richtung so vieler neuer Forschungen herunter. Inflation wäre erfunden worden, ob ich sie erfunden hätte oder nicht, sagt er. Es war wirklich nur eine Aneinanderreihung von Ideen, die dem einen oder anderen Physiker bereits bekannt waren. Ich hatte einfach viele Chancen, auf die Idee zu kommen.
Aber für Turner und unzählige andere, die über den Kosmos nachdenken, ist klar, dass Guths Beiträge einen Schlüssel zu vielen neuen experimentellen und theoretischen Fortschritten geliefert haben. Alans Idee der Inflation hat die Art und Weise, wie Kosmologen über den Beginn des Universums denken, revolutioniert, sagt Turner. Meiner Meinung nach ist es die wichtigste Idee seit dem Urknall selbst.