Stephen Hawking, fizik, ki je preusmeril vesolje in posnemo pospešene delce iz vročih mejnih črnih lukenj, danes dopolnjuje 76 let (8. januarja).
Hawking je poleg tega, da je svetovno priznan kozmolog, postal nekaj ikone pop kulture. On je presenetljiva figura: genij, zvit v telesu, ki je večinoma imobilizirano zaradi amiotrofične lateralne skleroze ali ALS. Podpira ga napreden invalidski voziček in svetu sporoča prek redkega in specializiranega sistema, ki gibe ene same mišice v obraz pretvori v govor. V tem načinu je nastopil v filmih "Zvezdne steze: Naslednja generacija", "Simpsonovi" in "Teorija velikega poka".
Toda Hawkingova najdaljša zapuščina bo kot najpomembnejši fizik druge polovice 20. stoletja - raziskovalec, ki je prejšnja dela figur, kot sta Albert Einstein in Werner Heisenberg, vzel in jih zlepil skupaj v nekaj, kar bi približalo skladno razlago vedenja kozmos.
"V naši preteklosti je posebnost."
Nobena dobra genialna zgodba se ne začne z nič manj kot zbadanjem, zato je primerno, da je bil Hawkingov prvi velik dosežek tudi njegova doktorska disertacija na univerzi v Cambridgeu.
Hawkingova teza, odobrena leta 1966, je podala dramatičen argument: da se je celotno vesolje začelo kot ena sama točka, neskončno majhna in gosta ter zavita v sebe - točka na začetku vsega. Ali, kot bi pozneje zapisal, jedrnato: "V naši preteklosti je posebnost."
To je bil prvi opis Velikega poka, kot ga danes običajno razumemo: neskončno majhna točka v daljšem času, ki je vdrla v naš sodobni, vedno bolj širi kozmos.
Kot je Hawking opisal v svojem predavanju iz leta 2005 "Izvor vesolja", je njegova teza prispela v trenutku, ko so znanstveniki videli, da se širi ogromen prazen doseg vesolja, škrate med galaksijami. Niso bili prepričani, zakaj. Nekateri fiziki so predlagali šibkejše različice koncepta Big Bang, minus singularnost. Toda druga teorija, imenovana vesolje stalnega stanja, je bila prevladujoča.
"Ko so se galaksije odmikale," je Hawking dejal o vesolju stalnega stanja, "ideja je bila, da bi se nove galaksije oblikovale iz snovi, ki naj bi se nenehno ustvarjala po vesolju. Vesolje bi obstajalo večno in bi bilo videti enako ves čas. "
Z drugimi besedami, mnogi znanstveniki so menili, da se vesolje širi, vendar na način, ki mu ni dal začetka in konca.
Kot je biografinja Kitty Ferguson zapisala v svoji knjigi "Stephen Hawking: Neponovljeni um" (St. Martin's Griffin, 2012), se je Hawking spopadel z depresijo v mesecih po diagnozi ALS iz leta 1963 pri 21 letih in če je ta duševna bolezen obstala, bi lahko nikoli niso prišli do njegove teze. Toda njegova depresija je popustila, ko je postalo jasno, da presega pričakovanja in ko je dobil izjemo od Cambridgeovih pravil, ki urejajo podiplomske študente, ki mu je po Fergusonu omogočil, da se je poročil s prvo ženo Jane Wilde.
V tistem obdobju, preden je prispel na temo doktorske naloge, je Hawking poročal, da se počuti frustrirano zaradi načina, kako so se raziskovalci ukvarjali z delom, ki se mu je zdelo nepomembno.
"Ljudje so bili tako veseli, da so našli kakršno koli rešitev za poljske enačbe; niso vprašali, kakšen fizični pomen ima," če je sploh imel, "je pozneje povedal na svojem predavanju o rojstnem dnevu 2002.
Ta frustracija ga je z zloglasnostjo pripeljala do prvega čopiča. Kot je pripovedoval Ferguson, je Hawking junija 1964 odpotoval na predavanje Freda Hoyla, znanega astronoma in zagovornika teorije vesolja v zvezni državi. Med predavanjem se je Hawking tako opognal, da se je vlekel na noge in se naslonil na svoj trs, da bi izzval enega od Hoylovih rezultatov.
"Začuden Hoyle je Hawkinga vprašal, kako lahko sploh presodi, ali je rezultat pravi ali napačen," je zapisal Ferguson. "Hawking je odgovoril, da ga je" predelal "."
Občinstvo je bilo navdušeno in Hoyle je "vneto" zapustil ta neznani podiplomski študent, za katerega se je zdelo, da je na predavanju raztrgal profesorjevo raziskovanje v glavi, je zapisal Ferguson. (Pravzaprav se je Hawking sporočil s Hoyleovimi učenci in začel idejo napadati že dolgo pred predavanjem.)
Kmalu zatem, je zapisal Ferguson, je Hawking spoznal kozmološko teorijo, ki jo je razvil matematik Roger Penrose: da se lahko singularnosti, točke neskončne gostote in ukrivljenosti prostora in časa, ki so bile teoretizirane v splošni relativnosti, dejansko pojavijo, ko se dovolj velike zvezde zrušijo nase.
"Hawking je od tam vzletel," je zapisal Ferguson, "obrnil smer časa in razmislil, kaj bi se zgodilo, če bi točka neskončne gostote in neskončne ukrivljenosti prostora-časa - posebnost - eksplodirala navzven in se razširila. Predpostavimo, da se je vesolje začelo kot Predpostavimo, da je vesolje in čas tesno zavito v majhni, brezdimenzionalni točki, eksplodiralo v tem, čemur pravimo Veliki prašek, in se razširilo, dokler ni videti tako, kot je danes. Se je morda zgodilo tako? Mora se je zgodilo tako? "
Hawking se je lotil dela, svoj podporni načrt je podkrepil z robustnimi podpornimi izračuni. Njegova doktorska disertacija, ki temelji na teh izračunih, je bila odobrena leta 1966. Ti izračuni so skupaj z nadaljnjimi raziskavami, izvedenimi v sodelovanju s Penroseom v desetletju, ki je sledilo, tvorili temelj za sodobno razumevanje znanstvenikov velikega poka.
Približno v istem času so začela nekatera ključna predvidevanja teorije vesoljskega stanja vesoljske eksperimentalne preizkušnje spodbijati eksperimentalne preizkuse, ki so Hawkingovo postale status odkritja resnične zgodovine zgodnjega vesolja.
Eksplozije v črni luknji?
Če je bil Hawkingov edini dosežek v karieri odkrivanje zgodovinske oblike vesolja, bi bil še vedno velikan - takšna oseba, ki je omenjena poleg Rosalind Franklin, ki je odkrila obliko DNK z dvojno vijačnico, ali Nicolaus Kopernik, ki je prvi predlagal heliocentrični model osončja. Toda to je bil prvi prvi od Hawkingovih dveh dosežkov.
Drugo, Hawkingovo sevanje, zahteva nekoliko razumevanja dveh stvari: črnih lukenj in kvantne mehanike praznega prostora.
Najprej o črnih luknjah: Črna luknja je zvezda, ki se je sesula na sebi in postala tako gravitacijsko intenzivna, da niti svetloba ne more ubežati regiji okoli njenega središča. Nad to točko, imenovano horizont dogodkov, je prostor-čas tako ukrivljen, da se za vedno izgubi vse, kar pade za plašč. Črna luknja, v skladu s tem razumevanjem v zgodnjih 70. letih, nikoli ne oddaja svetlobe, nikoli ne skrči, nikoli ne izgubi mase; le pridobi maso in črpa več prostora na svoje zakrito ozemlje.
Drugič, o kvantni mehaniki: V času Hawkingove kariere so znanstveniki že zdavnaj vedeli, da Heisenbergov princip negotovosti pomeni, da prazen prostor v resnici ni prazen. Namesto tega se vrti z "virtualnimi" delci - pari snovi proti materiji, ki se pojavljajo skupaj, se ločijo in nato zrušijo drug v drugega in uničijo v času, prekratkem za merjenje. (Znanstveniki do danes trdijo, ali ti virtualni delci res obstajajo ali se pojavijo le v kvantnih enačbah zaradi svoje čudne, verjetnostne narave.)
Pozno poleti 1973 sta se Stephen in Jane Hawking udeležila serije predavanj v Varšavi na Poljskem, ko je praznoval 500. rojstni dan Kopernika, je zapisal Ferguson. Tam je Hawking naletel na dva sovjetska fizika, Jakova Borisoviča Zel'doviča in njegovega študenta Alekseja Aleksandroviča Starobinskega, ki sta pokazala, da bo energija vrtenja črnih lukenj ustvarila delce tik pred njihovimi dogodki. Ti delci bi se namestili v vesolje, sta povedala Zel'dovich in Starobinski v svojem predavanju, s čimer sta odtekla del vrtenja črne luknje. Sčasoma sta si rekla Zel'dovich in Starobinski, da se bodo črne luknje nehale vrteti.
Ideja je obtičala v Hawkingovi glavi, je zapisal Ferguson, in vrnil se je v Cambridge, da bi ponovil in natančneje določil izračune Zel'dovicha in Starobinksyja. Ko pa je ob njihovih rezultatih prvič zabodel, se je odvilo nekaj novega.
"Na svoje presenečenje in sitnost sem ugotovil, da bi morale tudi črne luknje, ki se ne pojavljajo, očitno ustvarjati in oddajati delce z enakomerno hitrostjo," je pozneje zapisal v svoji knjigi iz leta 1988 "Kratka zgodovina časa."
Tako je, kot je pojasnil v tej knjigi:
Če v vesolju obstajajo črne luknje in imajo določena obzorja dogodkov in če se vesolje ves čas vrti z navideznimi "pari samoseborojujočih se delcev, potem morajo ti delci obstajati prav na robovih obzorja dogodkov črnih lukenj." od teh parov delcev mora biti videti odlično nameščen z enim delcem protiteles negativne mase, ločenim na eni strani obzorja dogodka, in drugim delcem s pozitivno maso, ločenim na drugi strani.
Ta čudna okoliščina bi učinkovito "spodbudila" delce iz njihovega virtualnega polobstoja v popolno resničnost, je ugotovil Hawking, saj bi se ločili dovolj, da se ne uničijo. To je pomenilo, da se zdi, da bodo delci energije in mase pritekli s površja obzorja dogodkov črnih lukenj. In ta tok energije, ki seva navzven od tistega, za kar so fiziki prej verjeli, da so večno temna telesa, je dobil ime Hawkingovega sevanja, potem ko ga je opisal v dokumentu iz leta 1974 v naravi z naslovom "Črne luknje v luknji?"
Hawkingovo sevanje je globoko spremenilo način, kako so fiziki razumeli vesolje. Pred Hawkingovo spoznanjem so znanstveniki verjeli, da je vsaka materija ali energija, izgubljena v črni luknji, za vedno odšla iz širšega vesolja, tako da bodo obzorja dogodkov črnih lukenj delovala kot stene, iz katerih se nekatere stvari iz vesolja ne bodo nikoli vrnile.
Toda Hawkingova odkritja so pokazala, da bodo črne luknje s časom propadale hitreje in hitreje. Za vsak pozitiven delček, ki je tekel s površine obzorja dogodka v širše vesolje, bi negativni delček z negativno energijo in maso padel nazaj v prostor onkraj dogodkovnega obzorja, s čimer bi zmanjšali skupno maso in energijo, zaklenjene tam. Sčasoma bi se zaradi tega procesa črne luknje skrčile. In ko bi se skrčili, bi postali bolj aktivni s Hawkingovim sevanjem in se hitreje skrčili.
Hawking je napovedoval, da mora vesolje vsebovati "prvotne črne luknje", ki so nastale ne iz strmoglavljenih zvezd, temveč iz ekstremnih pritiskov zgodnjega vesolja. Te črne luknje, je menil, bi se v letih, ki jih je minilo več milijard let, občutno skrčile in njihova majhna obzorja dogodkov bi sprožila močne žarke Hawkingovega sevanja.
"Take luknje si komaj zaslužijo Črna: v resnici so belo vroče, "je zapisal v" Kratki zgodovini časa. "
Sčasoma se je Hawking odločil, da bodo eksplodirali.
Ko je Hawking začel deliti to idejo, je Ferguson zapisal v "Unfettered Mind", so ga vrstniki sprejeli kot briljantnega ali heretičnega. Ko je Penrose zaslišal šepet, je poklical Hawkinga ravno takrat, ko je fizik sedel na večerjo za rojstni dan 1974 in mu čestital tako dolgo, da se je njegova večerja prehladila. Toda mesece pozneje se je moderator na simpoziju, kjer je Hawking predstavil svoj predlog, dvignil in ga razglasil za "čisto smeti."
Danes velja za osnovno znanstveno dejstvo.
Nad črnimi luknjami
V štirih desetletjih in pol od "eksplozije črne luknje?" Hawking je še naprej objavljal raziskave, ki se lotevajo temeljev vesolja - vključno z idejami, ki napadajo njegove prejšnje prispevke. (Glej na primer osupljiv naslov 2014 v naravi, "Stephen Hawking: Ni črnih lukenj".)
Hawking je v svoji kasnejši karieri znanstvenega komunikatorja postal najbolj znan. Svojo klasiko iz leta 1988 "Kratka zgodovina časa" je spremljal z 10 deli poljudnoznanstvenih del in z memoarjem z naslovom "Moja kratka zgodovina" (Random House, 2013).
Nemogoče je govoriti o Hawkingovih ogromnih prispevkih k človekovemu razumevanju vesolja, ne da bi se priznal kontekst njegovega dolgotrajnega zdravja. Dva osnovna prispevka o fiziki Hawkinga sta prišla v istem obdobju, ko se je iz mladega človeka, ki je zmožen sam sprehoditi, spremenil v moškega, omejenega z invalidskim vozičkom, zamahnil govor in se zanašal na svojo ženo, da bi prepisal svoje misli .
ALS paralizira telo, vendar - vsaj v primeru Hawkinga - ne poškoduje uma. In zaradi tega, je zapisal Ferguson, je Hawking že dolgo štel za "izjemno srečo".
"Res je bilo leta 1964 in danes je," je zapisal Ferguson, "da kar se tiče Hawkinga, manj ko je fizičnih težav, toliko bolje. Prepoznal sem ga leta 1989 med intervjuji za svojo prvo knjigo o njem, če bi pisal o njegovem znanstvenem delu in v celoti ne omenil, da bi mu takšno delo morda pomenilo večji dosežek kot večini ljudi, bi mu to ustrezalo. "
Hawkingu se zdi najbolj prijetno razpravljati o invalidnosti v okviru njegovega aktivizma, ki je bil zelo pomemben. Leta 1999 se je pridružil skupini 12 vidnih osebnosti, vključno z južnoafriškim aktivistom Desmondom Tutujem, s katerim je podpisal listino, ki poziva vlade sveta, naj preoblikujejo odnose s svojim invalidnim prebivalstvom in širijo storitve, ki izboljšujejo življenje invalidov.
Hawking je bil tudi izrazit zagovornik univerzalnega zdravstvenega varstva in Nacionalne zdravstvene službe Združenega kraljestva (NHS), ki je šel tako daleč, da je v govoru avgusta 2017 napadal zdravstveni sekretar Konzervativne stranke Jeremy Hunt zaradi nezadostnega financiranja in podpore programa.
"Brez NHS ne bi bil tukaj," je dejal Hawking.
Hawking ponavadi dobi največ pozornosti za svoje ideje o prihodnosti človeštva, ko komentira umetno inteligenco ali vesoljce. Toda večina njegovih izjav na to temo je bila bolj brezpredmetna: nasprotovanje vojnam, zaskrbljujoče, da bi odpoved podnebnih sprememb ameriškega predsednika Donalda Trumpa lahko škodila planetu in se pridružila globalnemu akademskemu bojkotu Izraela.
Live Science želi Hawkingu zelo vesel rojstni dan in še veliko več.
