Pirms Lielā sprādziena

Alana Guta karjera pacēlās gaisā. Būdams ambiciozs pēcdoktors Kornela universitātē 1978. gadā, Gūts meklēja veidu, kā dot ieguldījumu savā daļiņu fizikas jomā, taču viņa pētījumi bija maz interesējuši. Viņam bija arī jāatrod pastāvīgs darbs, lai uzturētu sievu Sjūzenu un mazuli Leriju. Taču arī viņa darba meklēšana nebija noritējusi labi.

Tajā rudenī kosmologu trijotne jeb agrīnā Visuma teorētiķi bija ieguvusi Nobela prēmiju fizikā. Drīz vien akadēmijas zālēs un plašākā sabiedrībā virmoja diskusijas par Visuma izcelsmi un īpaši lielā sprādziena teoriju – ideja, ka Visums sākās ar sprādzienu un ka visa matērija kopš tā laika ir virzījusies uz āru. Tātad, kad kāds kosmologs ieradās runāt Kornelā, Gūts ‘69, SM ‘69, PhD ‘72, devās uzklausīt viņa sakāmo. Lektors Roberts Diks, cita starpā, runāja par sarežģītu kosmoloģisku problēmu, ko zinātnieki nebija spējuši atrisināt. Tas noteikti izraisīja manu interesi, saka Gūts. Šķita, ka Dika lekcija norādīja uz secinājumu, ka tradicionālā lielā sprādziena teorija atstāj novārtā kaut ko svarīgu. Divus gadus vēlāk, veicot pētījumus pavisam citā jomā, Gūts atklāja pazudušo gabalu.

Viņš iepazīstināja ar savu skaidrojumu 1981. gadā, nosaucot to par inflāciju. Kopš tā laika teorija ir piesaistījusi lielu uzmanību. Gadu laikā kopš tā parādīšanās Guta oriģinālais raksts ir citēts vairāk nekā 2000 publikāciju, un pagājušā gada rudenī tā autors saņēma prestižo Diraka medaļu, ko daudzi novērotāji uzskata par Nobela prēmijas priekšteci. Mūsdienās kosmologi Guta ideju sauc par jaunu paradigmu, kas ir viena no pēdējā pusgadsimta nedaudzajām ārkārtīgi ietekmīgajām Visuma teorijām.

Ceļš uz atklājumiem

Gūta birojs ir lietus mežs, kurā ir vaļīgs papīrs. Lai gan tas ir ietilpīgs profesora izrakumiem — divas līdz trīs reizes lielāks nekā vairums universitātes biroju — gandrīz katrs collas grīdas, mēbeļu un palodzes ir nosētas ar grāmatām, papīra lūžņiem, manilas mapēm un periodiskiem izdevumiem. Gūts, kura pinkainie mati bieži slīd pāri briļļu malām, apkopo idejas no šiem dažādajiem avotiem, saliekot kopā daļiņas, kas izraisa viņa interesi un rosina iztēli. Izstrādājot savas teorijas, viņš izmanto arī to, ko zina. Gūts radīja savu pirmo priekšstatu par inflācijas teoriju tieši šādā veidā: viņš savāca virkni teorētisku problēmu un ieraudzīja to savstarpējās sakarības.

Guta teorija radās pavisam nejauši, kad viņš sāka aust iepriekš nesaistītus pētījumus ar savu darbu. Viss sākās ar lekciju, kurā Diks aprakstīja sarežģīto kosmoloģisko mīklu saistībā ar matērijas daudzumu un izplatību Visumā. Kosmologi precīzi nezina, cik daudz matērijas ir Visumā. Kad viņi runā par esošo daudzumu, viņi to salīdzina ar kritisko blīvumu. Šis blīvums atbilst matērijas daudzumam, kas nepieciešams, lai Visums kļūtu plakans.

Dika lekcijas laikā zinātniskie novērojumi liecināja, ka Visums atradās 10 procentu robežās no kritiskā blīvuma, taču šodien kosmologi var pierādīt, ka Visums patiesībā atrodas piecu procentu robežās no tā. Lai mūsdienu Visums atrastos piecu procentu robežās no kritiskā blīvuma, Visumam vienu sekundi pēc lielā sprādziena vajadzēja būt ārkārtīgi tuvu kritiskajam. Bet lielā sprādziena teorijas kontekstā nav zināms iemesls, kāpēc Visums būtu sācies tuvu kritiskajam blīvumam, saka Guts. Šī mīkla tika saukta par plakanuma problēmu.

Gūts apraksta citu veidu, kā par to domāt: Visuma blīvums ir līdzīgs zīmulim, kas līdzsvarots tā galos. Kad tas ir ideāli līdzsvarots, tas ir kritiskā blīvumā. Ja neviens spēks to netraucē, tas paliek līdzsvarā. Bet, ja tas tiek stumts jebkurā virzienā, tas atkritīs no līdzsvara punkta. Savā ziņā Visums šodien ir tuvu šim līdzsvara punktam. Taču zinātnieki nezināja nekādu iemeslu, kāpēc zīmulis būtu sācies tieši uz augšu. Viņi uzskatīja par pašsaprotamu faktu, ka gravitācija vienmēr piesaista – tas nozīmē, ka zīmulis, protams, noslīdēs. Gūts vēlāk atklāja, ka pastāv ticami apstākļi, kuros gravitācija atgrūž.

Plakanuma problēma lika Gūtam domāt par agrīno Visumu, taču tieši viņa darbs pie magnētiskajiem monopoliem — šķietami nesaistītu lauku viņš vēlāk apvienoja ar kosmoloģiju — noveda pie tā, kas kļuva par viņa inflācijas teoriju. Monopoli ir teorētisks magnētisko elementārdaļiņu veids ar vienu lādiņu. Henrijs Taijs, Kornela postdoktors, bija ieinteresējies par teorijām, kas paredzēja magnētisko monopolu esamību, un viņš vērsās pie Guta, lai mēģinātu noteikt, cik daudz daļiņu būtu radušās lielajā sprādzienā, kad tika uzskatīts, ka visas daļiņas ir radītas. . Gūts saka, ka sākumā es domāju, ka tas ir traks veids, kā tērēt laiku. Bet joprojām cerēdams izcelties fizikā, viņš piekrita palīdzēt.

Pāris galu galā secināja, ka Visumam vajadzētu peldēt monopolos, taču tā nav. Viņi arī aprēķināja monopolu svaru un atklāja, ka tiem jābūt ļoti smagiem. Šie atklājumi bija tikai tāds ieguldījums, kādu Gūts bija meklējis, taču, pirms viņš un Tajs varēja publicēt savus rezultātus, kāds cits jauns pētnieks viņus pārspēja.

Tāpēc viņi sāka meklēt citu jauninājumu. Viņi sāka jautāt, kā viņi varētu mainīt teorijas, kas paredz magnētiskos monopolus, lai izskaidrotu monopolu pilnīgu neesamību. Viņi pamatoja, ka pārdzesēšana un temperatūras pazemināšana zem sasalšanas punkta, neizraisot sasalšanu, agrīnajā Visumā būtu novērsusi monopolu veidošanos. Šoreiz viņi nekavējoties publicēja savus atklājumus.

Pēc tam Tye ieteica aprēķināt pārdzesēšanas ietekmi uz Visuma izplešanās ātrumu. Es kādu nakti devos mājās un izdarīju šo aprēķinu, atceras Gūts. Faktiski pārdzesēšana ārkārtīgi ietekmē Visuma izplešanās ātrumu, viņš saka, nosūtot Visumu uz šo eksponenciālo izplešanos, ko mēs tagad saucam par inflāciju. Šajā gadījumā, pēc Guta teorijas, gravitācija darbojas pretēji.

Guts apgalvoja, ka viss Visums ir simts miljardus reižu mazāks par protonu. Visumu valdīja daļiņu mijiedarbības likumi, kurus zinātnieki joprojām pilnībā neizprot. Inflācijas atgrūžošais gravitācijas spēks palielināja plankumu izmēra Visumu tikai niecīgā sekundes daļas laikā, padarot augšanu līdzīgu sprādzienam. Un tad inflācija saplūda lielā sprādziena teorijā.

Postulējot tik nozīmīgu notikumu, Gūts saka, tajā pašā naktī es sapratu, ka šī eksponenciālā paplašināšanās atrisinās plakanuma problēmu. Un tas, protams, mani ārkārtīgi sajūsmināja.

Viļņu veidošana

Kā inflācija atrisina plakanuma problēmu? Guta ideja bija tāda, ka metaforiskajam zīmulim nebija jāsāk tā, kā tas ir; tā vietā tas varēja sākt nogāztā stāvoklī. Viņa teorija liecina, ka Visuma radīšanas laikā gravitācija tika mainīta, tāpēc metaforiskais zīmulis tiktu vilkts uz augšu no horizontāla stāvokļa, līdz tas apstājās savā punktā. Citiem vārdiem sakot, nav nepieciešams pieņemt, ka agrīnais Visums sākās ar kritisko blīvumu. Faktiski tas varēja sākties tālu no tā, jo apgrieztā gravitācija izraisītu Visuma pārvietošanos virzienā kritiskais blīvums.

Inflācija atrisināja vēl vienu problēmu. Lielajam sprādzienam vajadzēja radīt Visumu ar radiācijas temperatūru no karstas līdz aukstai. Bet zinātnieki bija atklājuši, ka lielos mērogos temperatūra ir viendabīga visā Visumā. Viņiem bija grūti izskaidrot šo viendabīgumu, ņemot vērā to, ka nav bijis pietiekami daudz laika, lai starojums izlīdzinātu sevi visā Visumā. Inflācija izskaidro šo tā saukto horizonta problēmu, jo liela mēroga viendabīgums būtu noteikts, kad Visums vēl bija mazāks par protonu, un tas vienkārši ir izstiepies līdz tam, ko mēs redzam šodien.

Džona Makneila attēls.

Guta risinājumi izraisīja revolūciju kosmoloģijā, taču viņa sākotnējam satraukumam drīz sekoja trauksme. Viņš bija jauns pētnieks bez fakultātes iecelšanas, un viņš nebija pārliecināts par savu teoriju. Es par to ļoti satraucos, jo man šķita, ka tajā ir pārāk daudz lietu, kuras es īsti nesaprotu. Es baidījos, ka tas kaut kā uzsprāgs. Neskatoties uz savām bažām, 1980. gada sākumā Gūts vairākās lekcijās kosmologiem visā valstī skaidroja inflāciju.

Alans demonstrēja neparastu drosmi — īpaši tiem, kam nav amata vai pat mācībspēku, — inflācijas izraisīšanā, saka Maikls Tērners, Čikāgas universitātes astrofiziķis.

Tie, kas viņu dzirdēja, bija ieinteresēti, un drīz vien parādījās piedāvājumi fakultātes amatiem, lai gan ne no MIT. Tomēr Gūts vēlējās atgriezties savā alma mater, tāpēc, kad laimes cepums viņam teica, ka priekšā ir aizraujoša iespēja, ja neesat pārāk bailīgs, viņš piezvanīja uz MIT un piedāvāja sevi kā potenciālo personu. Vēlāk tajā pašā gadā viņš ieradās institūtā kā viesasociētais profesors. Šodien kā Viktora F. Veiskopfa fizikas profesors viņš strādā blakus savam dēlam Lerijam, kurš ir matemātikas maģistrants. Lerijs strādā birojā, kurā viņa tēvs strādāja, būdams maģistrants, un tā sakritība Gūtam šķiet ārkārtīgi jauka.

Dažas Guta bažas par viņa teorijas pamatotību nebija nepamatotas. Ar Ērika Veinberga no Kolumbijas universitātes palīdzību Gūts atklāja, ka viņa ideja ir nedaudz kļūdaina. Viņa skaidrojums par to, kā inflācija izraisīja lielo sprādzienu, nedarbojās. Bet, tā kā Gūts ticēja inflācijas nozīmei, viņš uzrakstīja rakstu, kurā aprakstīta gan viņa teorija, gan tās problēmas.

Viņš uzrakstīja papīru, sakot: Es domāju, ka šī ir ļoti svarīga ideja, bet es varu parādīt, ka tā nedarbojas manis piedāvātajā formā, ”saka Tērners. Viņš aicināja citus zinātniekus domāt par inflāciju un uzlabot to. Trīs citi kosmologi atbildēja uz viņa izaicinājumu. Krievu zinātnieks Andrejs Linde un neatkarīgi ASV pētnieki Pols Steinhards (Princetonas universitāte) un Andreass Albrehts (Kalifornijas universitāte, Deivisa) nāca klajā ar modifikāciju, kas novērsa kļūdu. Viņi to sauca par jauno inflāciju. Gūts dala 2002. gada Diraka medaļu ar Lindi un Steinhardu.

Inflācija ir ļoti aizraujoša ideja, kas ir pulcējusi fiziķus dažādās apakšdisciplīnās un kas ir motivējusi dažus no aizraujošākajiem mūsdienu zinātnes eksperimentiem, saka Steinhards. Linde, tagad Stenfordas universitātē, saka, ka Guta ideja palīdzēja mainīt mūsdienu kosmoloģiju. Faktiski tas ir iedvesmojis aptuveni 30 variācijas-teorijas, kas izmanto inflāciju kā bāzi.

Neilgi pēc jaunas inflācijas ieviešanas Gūts un vēl seši fiziķi sāka pētīt blīvuma svārstību izcelsmi jaunajā modelī. Viņi paredzēja modeli, kā šīs svārstības parādīsies Visuma radiācijas temperatūrā. Mūsdienās satelīti un balonu eksperimenti liecina, ka viņu prognozētais modelis ir ārkārtīgi precīzs. Tērners, kurš pēta šo starojumu, saka, ka ir pārliecināts, ka nākamajā desmitgadē šie mērījumi sniegs noteiktu inflācijas pierādījumu.

Gūts, kurš ir Nacionālās Zinātņu akadēmijas loceklis, mazina savu lomu tik daudzu jaunu pētījumu virzienu ietekmēšanā. Viņš saka, ka inflācija būtu izgudrota neatkarīgi no tā, vai es to izgudrotu vai nē. Tas tiešām bija tikai ideju apvienošana, kas jau bija zināmas vienam vai otram fiziķim. Manā idejā bija tikai daudz iespēju.

Taču Tērneram un neskaitāmiem citiem, kas domā par kosmosu, ir skaidrs, ka Gūta ieguldījums ir nodrošinājis daudzu neseno progresu gan eksperimentālā, gan teorētiskā veidā. Alana ideja par inflāciju ir mainījusi to, kā kosmologi domā par Visuma sākumu, saka Tērners. Manuprāt, tā ir vissvarīgākā ideja kopš paša lielā sprādziena.

paslēpties