Begravd under et fjell av papirer og tomme Coke Zero-flasker, funderer Alan Guth på opprinnelsen til kosmos. Guth, en verdenskjent teoretisk fysiker og professor ved Massachusetts Institute of Technology, er mest kjent for å være banebrytende i teorien om kosmisk inflasjon, en modell som forklarer den eksponentielle veksten av universet bare brøkdeler av et sekund etter Big Bang, og dens fortsatte utvidelse i dag.
Kosmisk inflasjon beskriver imidlertid ikke bare den underliggende fysikken til Big Bang. Guth mener det også støtter ideen om at universet vårt er ett av mange, med enda flere universer som ennå ikke dannes.
Science Friday dro til MIT (hvor denne forfatteren også jobber, men i en annen avdeling) for å chatte med Guth på kontoret hans om de uendelige mulighetene i et uendelig kosmos, og lykkekaken som forandret livet hans.
Alan Guth i 2007. Foto av Betsy Devine/Wikipedia/CC BY-SA 3.0 Vitenskapsfredag: Hva fikk deg til å innse at du ønsket å bli vitenskapsmann?
Alan Guth: Jeg husker en hendelse på videregående, som kanskje er en indikasjon på mine ønsker om å bli en teoretisk fysiker spesielt. Jeg tok fysikk på videregående, og en venn av meg gjorde et eksperiment som besto av å ta en hagepinne og slå hull i den på forskjellige steder og svinge den på disse forskjellige hullene og se hvordan perioden var avhengig av hvor hullet var. På dette tidspunktet hadde jeg akkurat lært nok grunnleggende fysikk og kalkulus til å kunne beregne hva svaret på det spørsmålet skal være. Jeg husker en ettermiddag at vi kom sammen og sammenlignet formelen min med dataene hans ved å bruke en lysbilderegel for å gjøre beregningene. Det fungerte faktisk. Jeg var veldig begeistret for ideen om at vi virkelig kan beregne ting, og de gjenspeiler faktisk måten den virkelige verden fungerer på.
Du skrev avhandlingen din om partikkelfysikk og har sagt at det ikke ble akkurat slik du ville. Kan du fortelle meg om det?
Min avhandling handlet om kvarkmodellen og om hvordan kvarker og antikvarker kunne binde seg til mesoner. Men det var egentlig like før teorien om kvarker gjennomgikk en stor revolusjon [da fysikere gikk fra å tro at kvarker er tunge partikler som har en stor bindingsenergi når de kombineres, til kvantekromodynamikkteorien om at kvarker faktisk er veldig lette og deres bindingsenergi. øker når de trekkes lenger fra hverandre]. Jeg var på feil side av den revolusjonen. Avhandlingen min ble mer eller mindre totalt foreldet på den tiden jeg skrev den. Jeg lærte absolutt mye ved å gjøre det.
Hva fikk deg til kosmologi?
Det var egentlig ikke før det åttende året jeg var postdoktor i [partikkelfysikk] at jeg begynte i kosmologi. En stipendiat ved Cornell ved navn Henry Tye ble interessert i det som den gang var en nymotens klasse av partikkelteorier kalt grand united theories [partikkelfysikkmodeller som beskriver hvordan tre av de fire grunnleggende kreftene i universet - elektromagnetisme, svake kjernefysiske interaksjoner og sterk kjernekraft interaksjoner – fungere som én kraft ved ekstremt høye energier]. Han kom til meg en dag og spurte meg om disse store forenede teoriene ville forutsi at det skulle være magnetiske monopoler [partikler som har en netto magnetisk nordladning eller en netto magnetisk sørladning.]
Jeg visste ikke om store forente teorier på den tiden, så han måtte lære meg, noe han gjorde, med stor suksess. Da visste jeg nok til å sette sammen to og to og konkludere – som jeg er sikker på at mange mennesker gjorde rundt om i verden – at ja, store forente teorier forutsier at magnetiske monopoler burde eksistere, men at de ville være uhyrlig tunge. De ville veie noe sånt som 10 til 16. potens ganger så mye som et proton [noe som betyr at forskere teoretisk sett burde være i stand til å observere dem i universet, selv om ingen har gjort det ennå].
Omtrent seks måneder senere var det et besøk hos Cornell av [nobelprisvinneren] Steve Weinberg, som er en fantastisk fysiker og en jeg hadde kjent fra studietiden min ved MIT. Han jobbet med hvordan store forenede teorier kan forklare overskuddet av materie i forhold til antimaterie [i universet], men det involverte den samme grunnleggende fysikken som å bestemme hvor mange monopoler som eksisterte i det tidlige universet ville innebære. Jeg bestemte meg for at hvis det var fornuftig nok for Steve Weinberg å jobbe med, hvorfor ikke meg også?
Etter en liten stund kom Henry Tye og jeg til den konklusjonen at altfor mange magnetiske monopoler ville bli produsert hvis man kombinerte konvensjonell kosmologi med konvensjonelle store forenede teorier. Vi ble scooped i å publisere det, men Henry og jeg bestemte oss for at vi ville fortsette å prøve å finne ut om det var noe som kunne endres som kanskje ville gjøre det mulig for store enhetlige teorier å være i samsvar med kosmologien slik vi kjenner den.
Hvordan kom du på ideen om kosmisk inflasjon?
Litt før jeg begynte å snakke med Henry Tye om monopoler, var det en forelesning på Cornell av Bob Dicke, en Princeton-fysiker og kosmolog, der han presenterte noe som ble kalt flathetsproblemet, et problem om ekspansjonshastigheten i den tidlige tiden. universet og hvor nøyaktig finjustert det måtte være for at universet skulle fungere for å produsere et univers som det vi lever i [det vil si et som har liten eller ingen rom-tid krumning og derfor er nesten perfekt 'flat']. I denne foredraget fortalte Bob Dicke oss at hvis du tenkte på universet ett sekund etter begynnelsen, måtte ekspansjonshastigheten være akkurat rett til 15 desimaler, ellers ville universet enten fly fra hverandre for fort til at noen struktur kunne dannes eller kollapse for raskt til at noen struktur kan dannes.
På den tiden syntes jeg det var litt fantastisk, men forsto det ikke engang. Men etter å ha jobbet med dette magnetiske monopolspørsmålet i seks måneder, innså jeg en natt at den typen mekanisme vi tenkte på som ville undertrykke mengden magnetiske monopoler produsert etter Big Bang [«mekanismen» er en fase overgang som skjer etter en stor mengde superkjøling] ville ha den overraskende effekten av å drive universet inn i en periode med eksponentiell ekspansjon – som er det vi nå kaller inflasjon – og at eksponentiell ekspansjon ville løse dette flathetsproblemet. Det ville også trekke universet til nøyaktig den rette ekspansjonshastigheten som Big Bang krevde [for å skape et univers som vårt].
Du har sagt i tidligere samtaler at en lykkekake spilte en legitimt viktig rolle i karrieren din. Hvordan det?
I løpet av våren 1980, etter å ha kommet opp med denne ideen om inflasjon, bestemte jeg meg for at den beste måten å publisere den på ville være å holde mange foredrag om det. Jeg besøkte MIT, men MIT hadde ikke lyst ut noen stillinger det året. I løpet av den aller siste dagen av denne seks uker lange turen var jeg ved University of Maryland, og de tok meg med ut på en kinesisk middag, og formuen jeg fikk i min kinesiske lykkekake sa: «En spennende mulighet venter deg hvis du er ikke for sjenert.' Jeg tenkte på det og bestemte meg for at det kanskje var å prøve å fortelle meg noe. Da jeg kom tilbake til California, ringte jeg et av fakultetsmedlemmene ved MIT og sa på en eller annen stammende måte at jeg ikke hadde søkt på noen jobber fordi det ikke var noen jobber ved MIT, men jeg ville fortelle dem at hvis de kan være interessert i meg, jeg er interessert i å komme. Så kom de tilbake til meg på en dag og ga meg et tilbud. Det var flott. Jeg kom til MIT som fakultetsmedlem, og jeg har vært her siden.
Når og hvor gjør du ditt beste arbeid?
Jeg tror fullt og fast på at jeg gjør mitt beste med å tenke midt på natten. Jeg liker veldig godt å kunne ha rimelig lange perioder, noen timer, når jeg kan konsentrere meg om noe og ikke bli avbrutt, og det skjer bare om natten. Det som ofte skjer er at jeg sovner kl 9:30 og våkner kl 1 eller 2 og begynner å jobbe og sovner igjen kl 5.
Hvem er en drømmesamarbeidspartner du kunne tenke deg å jobbe med?
Jeg vedder på at det hadde vært veldig gøy å jobbe med Einstein. Det jeg virkelig respekterer med Einstein er hans ønske om å kaste bort alle konvensjonelle moduser og bare konsentrere seg om det som ser ut til å være det nærmeste vi kan komme en nøyaktig teori om naturen.
Hva jobber du med nå?
Det mest konkrete prosjektet jeg jobber med er et prosjekt i samarbeid med en ganske stor gruppe her ved MIT, der vi prøver å beregne produksjonen av primordiale sorte hull som kan ha skjedd med en viss versjon av inflasjon. Hvis dette fungerer, kan disse opprinnelige sorte hullene kanskje være frøene til de supermassive sorte hullene i sentrum av galakser, som er veldig vanskelig å forklare. Det ville vært utrolig spennende om det viser seg å være tilfelle.
Hva annet tenker du på?
Et større spørsmål, som har ligget i bakhodet mitt i et tiår, er problemet med å forstå sannsynligheter i evig oppblåsende universer. I et evig oppblåsende univers fortsetter disse lommeuniversene [som det vi lever i] å bli dannet bokstavelig talt for alltid. Et uendelig antall lommeuniverser dannes, og det betyr at alt som er fysisk tillatt til slutt vil skje et uendelig antall ganger.
Normalt tolker vi sannsynligheter som relative forekomster. Vi tror enhodede kyr er mer sannsynlige enn tohodede kyr fordi vi tror det er mye flere enhodede kyr enn tohodede kyr. Jeg vet ikke om det er noen tohodede kyr på jorden, men la oss late som om det er det. I et evig oppblåsende univers, forutsatt at en tohodet ku i det minste er mulig, vil det være et uendelig antall tohodede kuer og et uendelig antall enhodede kuer. Det er vanskelig å vite hva du mener hvis du prøver å si at det ene er mer vanlig enn det andre.
Hvis noe kan skje i et evig oppblåsende univers, er det en situasjon der jeg er kosmologen og du er journalisten?
[ler] Sannsynligvis, ja. Jeg tror det vi med sikkerhet ville vite er at alt som er fysisk mulig – og jeg ser ikke hvorfor dette ikke er fysisk mulig – vil skje et uendelig antall ganger.
Dette intervjuet er redigert for plass og klarhet. Marcia Bartusiak, professor i praksis av Graduate Program i naturvitenskapelig skriving ved Massachusetts Institute of Technology, lånte henne ekspertise under faktasjekkingsprosessen.
