Stephen Hawking, de natuurkundige die het universum heeft teruggespoeld en gestimuleerde deeltjes uit de hete grensgebieden van zwarte gaten heeft afgeroomd, wordt vandaag 76 (8 januari).
Hawking is niet alleen een wereldberoemde kosmoloog, maar ook een icoon van de popcultuur geworden. Hij is een opvallende figuur: een genie opgerold in een lichaam dat grotendeels geïmmobiliseerd is door amyotrofe laterale sclerose of ALS. Hij wordt ondersteund door een geavanceerde rolstoel en communiceert met de wereld via een zeldzaam en gespecialiseerd systeem dat de bewegingen van een enkele spier in zijn wang omzet in spraak. In die modus verscheen hij in "Star Trek: The Next Generation", "The Simpsons" en "The Big Bang Theory".
Maar Hawking's meest blijvende erfenis zal zijn als de belangrijkste natuurkundige van de tweede helft van de 20e eeuw - een onderzoeker die de eerdere werken van figuren als Albert Einstein en Werner Heisenberg heeft samengevoegd tot iets dat een coherente verklaring benadert voor het gedrag van de kosmos.
"Er is een bijzonderheid in ons verleden"
Geen goed geniaal verhaal begint met iets minder dan een knal, dus het is gepast dat Hawking's eerste grote prestatie ook zijn proefschrift aan de Universiteit van Cambridge was.
Hawking's proefschrift, goedgekeurd in 1966, voerde een dramatisch argument aan: dat het hele universum begon als een enkel punt, oneindig klein en dicht en krulde op zichzelf - een punt aan het begin van alles. Of, zoals hij later zou schrijven, bondig: 'Er is een bijzonderheid in ons verleden.'
Het was de eerste beschrijving van de oerknal zoals die tegenwoordig algemeen wordt begrepen: een oneindig klein punt in de verre uithoeken van de tijd dat onze moderne, steeds groter wordende kosmos binnendrong.
Zoals Hawking in zijn lezing "The Origin of the Universe" uit 2005 beschreef, kwam zijn proefschrift op een moment dat wetenschappers hadden gezien dat de uitgestrekte lege gebieden van de ruimte, de kloof tussen sterrenstelsels, zich uitbreidden. Maar ze wisten niet precies waarom. Sommige natuurkundigen stelden zwakkere versies van het Big Bang-concept voor, minus de singulariteit. Maar een andere theorie, het Steady State Universe, was dominant.
'Terwijl sterrenstelsels uit elkaar gingen', zei Hawking over het Steady State Universe, 'was het idee dat er nieuwe sterrenstelsels zouden ontstaan uit materie die voortdurend in de ruimte zou worden gecreëerd. Het universum zou voor altijd hebben bestaan en er hetzelfde hebben uitgezien alle tijden."
Met andere woorden, veel wetenschappers dachten dat het universum zich uitbreidde, maar op een manier die het geen begin en geen einde gaf.
Zoals biograaf Kitty Ferguson in haar boek "Stephen Hawking: An Unfettered Mind" (St. Martin's Griffin, 2012) schreef, worstelde Hawking met depressies in de maanden na zijn ALS-diagnose van 1963 op 21-jarige leeftijd, en als die psychische aandoening aanhield, zou hij nooit aangekomen bij zijn proefschrift. Maar zijn depressie nam af toen duidelijk werd dat hij de verwachtingen overleefde en toen hem een uitzondering werd toegestaan op de Cambridge-regels voor afgestudeerde studenten, waardoor hij volgens Ferguson met zijn eerste vrouw, Jane Wilde, kon trouwen.
In die periode voordat hij aankwam bij het onderwerp van zijn proefschrift, meldde Hawking dat hij gefrustreerd was over de manier waarop onderzoekers zich bezighielden met werk dat hij uiteindelijk triviaal vond.
"Mensen waren zo blij om een oplossing te vinden voor veldvergelijkingen; ze vroegen niet wat de fysieke betekenis ervan was," zei hij later in zijn verjaardagslezing in 2002.
Die frustratie bracht hem berucht tot zijn eerste penseel. Zoals Ferguson vertelde, reisde Hawking in juni 1964 om een lezing te horen van Fred Hoyle, een beroemde astronoom en voorstander van de Steady State Universe-theorie. Tijdens de lezing raakte Hawking zo gefrustreerd dat hij overeind kwam, leunend op zijn wandelstok, om een van Hoyle's resultaten aan te vechten.
'Een verbaasde Hoyle vroeg Hawking hoe hij kon beoordelen of het resultaat goed of fout was', schreef Ferguson. 'Hawking antwoordde dat hij' het had uitgewerkt '.'
Het publiek was onder de indruk en Hoyle was 'woedend' door deze onbekende afgestudeerde student die tijdens de lezing het onderzoek van de professor in zijn hoofd leek te verscheuren, schreef Ferguson. (Hawking was zelfs bevriend geraakt met een van de studenten van Hoyle en begon het idee lang voor de lezing aan te vallen.)
Kort daarna, schreef Ferguson, leerde Hawking over een kosmologische theorie ontwikkeld door wiskundige Roger Penrose: dat singulariteiten, de punten van oneindige dichtheid en kromming van ruimte-tijd die in algemene relativiteitstheorieën worden getheoretiseerd, daadwerkelijk zouden kunnen verschijnen wanneer voldoende grote sterren op zichzelf instorten.
'Hawking vertrok vandaar', schreef Ferguson, 'keerde de richting van de tijd om en overwoog wat er zou gebeuren als een punt van oneindige dichtheid en oneindige kromming van ruimte-tijd - een bijzonderheid - naar buiten explodeerde en zich uitbreidde. Stel dat het universum begon als Stel dat ruimte-tijd, strak opgerold in een klein, dimensieloos punt, explodeerde in wat we de oerknal noemen en uitdijt tot het er zo uitziet als nu. Moet is het zo gebeurd? "
Hawking ging aan de slag en ondersteunde zijn speculatietrein met robuuste ondersteunende berekeningen. Zijn proefschrift, gebaseerd op die berekeningen, werd in 1966 goedgekeurd. Deze berekeningen vormden, samen met vervolgonderzoek dat in de daaropvolgende tien jaar in samenwerking met Penrose werd uitgevoerd, de basis voor het moderne begrip van wetenschappers van de oerknal.
Rond dezelfde tijd begonnen bepaalde belangrijke voorspellingen van de Steady State Universe-theorie te mislukken voor experimentele tests, wat Hawking's status als ontdekker van de ware geschiedenis van het vroege universum bevestigde.
Zwart-gat-explosies?
Als Hawking's enige prestatie in zijn carrière de historische vorm van het universum zou ontdekken, zou hij nog steeds een reus zijn - het soort persoon dat naast Rosalind Franklin wordt genoemd, die de dubbele helixvorm van DNA ontdekte, of Nicolaus Copernicus, die voor het eerst de heliocentrisch model van het zonnestelsel. Maar dat was slechts de eerste van Hawking's twee bepalende prestaties.
De tweede, Hawking-straling, vereist een beetje begrip van twee dingen: zwarte gaten en de kwantummechanica van lege ruimte.
Ten eerste, over zwarte gaten: een zwart gat is een ster die op zichzelf is ingestort en zo gravitatie-intens is geworden dat zelfs het licht niet kan ontsnappen aan een gebied rond zijn centrum. Buiten dat punt, de gebeurtenishorizon genoemd, is de ruimtetijd zo gebogen dat alles wat achter de lijkwade valt voor altijd verloren gaat. Een zwart gat zendt volgens dit begrip begin jaren zeventig nooit licht uit, krimpt nooit, verliest nooit massa; het wint alleen maar massa en trekt meer ruimte in zijn gehuld gebied.
Ten tweede, over kwantummechanica: Tegen de tijd van Hawking's carrière wisten wetenschappers al lang dat de onzekerheidsbeginsel van Heisenberg impliceerde dat lege ruimte niet echt leeg is. In plaats daarvan brult het met 'virtuele' deeltjes - materie-antimaterieparen die samen verschijnen, scheiden en vervolgens in elkaar botsen en vernietigen in een tijd die te kort is om te meten. (Wetenschappers beweren tot op de dag van vandaag of die virtuele deeltjes echt bestaan of alleen verschijnen in kwantumvergelijkingen vanwege hun rare, probabilistische aard.)
In de nazomer van 1973 woonden Stephen en Jane Hawking een lezingenreeks bij in Warschau, Polen, om de 500ste verjaardag van Copernicus te vieren, schreef Ferguson. Daar ontmoette Hawking twee Sovjetfysici, Yakov Borisovich Zel'dovich en zijn student Alexei Alexandrovich Starobinsky, die hadden aangetoond dat de energie van het spinnen van zwarte gaten deeltjes zou creëren net buiten hun horizon. Die deeltjes zouden de ruimte in slepen, zeiden Zel'dovich en Starobinsky in hun lezing, terwijl ze een deel van de draaiing van het zwarte gat ondermijnden. Uiteindelijk, zeiden Zel'dovich en Starobinsky, hielden de zwarte gaten op met draaien.
Het idee bleef in Hawking's hoofd steken, schreef Ferguson, en hij keerde terug naar Cambridge om de berekeningen van Zel'dovich en Starobinksy te herhalen en te verfijnen. Maar toen hij zijn eerste steek maakte bij hun resultaten, ontvouwde zich iets nieuws.
'Ik ontdekte, tot mijn verbazing en ergernis, dat zelfs niet-roterende zwarte gaten blijkbaar gestaag deeltjes zouden moeten creëren en afgeven', schreef hij later in zijn boek uit 1988 'A Brief History of Time'.
Dit is waarom, zoals hij in dat boek uitlegde:
Als zwarte gaten in de ruimte bestaan en de horizon van gebeurtenissen hebben gedefinieerd, en als de ruimte constant ronddwaalt met virtuele "paren van zelfvernietigende deeltjes, dan moeten die deeltjes soms ontstaan aan de randen van de horizon van de zwarte gaten. In feite, sommige van die deeltjesparen moeten er perfect gepositioneerd uitzien, waarbij één antimaterie-deeltje met negatieve massa gescheiden is aan één kant van de horizon van het evenement en het andere deeltje met positieve massa-materie gescheiden is aan de andere kant.
Die vreemde omstandigheid zou de deeltjes van hun virtuele halfbestaan effectief tot een volledige realiteit 'stimuleren', besefte Hawking, omdat ze voldoende van elkaar zouden zijn gescheiden om niet te vernietigen. Dat betekende dat deeltjes energie en massa uit het oppervlak van de horizon van de zwarte gaten zouden lijken te stromen. En die stroom van energie, die naar buiten uitstraalde van wat natuurkundigen eerder dachten dat het eeuwig donkere lichamen waren, nam de naam Hawking-straling aan, nadat hij het beschreef in een artikel uit 1974 met de titel "Black Hole Explosions?"
Hawking-straling veranderde de manier waarop natuurkundigen het universum begrepen grondig. Voordat Hawking zich realiseerde, geloofden wetenschappers dat alle materie of energie die verloren ging aan een zwart gat voor altijd uit het wijde universum verdwenen was, zodat de horizon van de zwarte gaten als muren fungeerde waarvandaan sommige dingen van het universum nooit meer zouden terugkeren.
Maar de ontdekking van Hawking toonde aan dat zwarte gaten in de loop van de tijd sneller en sneller zouden vervallen. Voor elk positief deeltje dat van het oppervlak van een eventhorizon naar het wijdere heelal stroomde, zou een negatief deeltje met negatieve energie en massa terugvallen in de ruimte voorbij de eventhorizon, waardoor de totale massa en energie die daar was opgesloten, zou afnemen. Na verloop van tijd zouden door dat proces zwarte gaten krimpen. En naarmate ze kleiner werden, zouden ze actiever worden met Hawking-straling en sneller krimpen.
Hawking voorspelde dat het heelal 'oer-zwarte gaten' moet bevatten die niet voortkwamen uit instortende sterren, maar uit de extreme druk van het vroege heelal. Deze zwarte gaten, meende hij, zouden in de tussenliggende miljarden jaren aanzienlijk zijn gekrompen en hun kleine horizon van gebeurtenissen zou krachtige stralen van Hawking-straling voortbrengen.
'Dergelijke gaten verdienden nauwelijks zwart: ze zijn echt wit heet', schreef hij in' A Brief History of Time '.
Uiteindelijk, besloot Hawking, zouden ze ontploffen.
Toen Hawking dit idee begon te delen, schreef Ferguson in 'An Unfettered Mind', zijn collega's ontvingen het als briljant of ketters. Toen Penrose het hoorde fluisteren, belde hij Hawking op het moment dat de natuurkundige zat voor zijn verjaardagsdiner in 1974 en feliciteerde hem zo lang dat zijn avondeten koud werd. Maar maanden later stond de moderator op het symposium waar Hawking zijn voorstel presenteerde op om het 'volslagen onzin' te verklaren.
Tegenwoordig wordt het beschouwd als een fundamenteel wetenschappelijk feit.
Voorbij zwarte gaten
In de viereneenhalf decennia sinds "Black Hole Explosions?" Hawking is doorgegaan met het publiceren van onderzoek dat de basis van het universum onderschept, inclusief ideeën die zijn eigen eerdere bijdragen aanvallen. (Zie bijvoorbeeld de verrassende kop van 2014 in Nature, "Stephen Hawking: There Are No Black Holes '".)
Hawking is het meest bekend geworden in zijn latere carrière als wetenschapscommunicator. Hij volgde zijn klassieker "A Brief History of Time" uit 1988 op met nog 10 werken uit de populaire wetenschap en een memoires, getiteld "My Brief History" (Random House, 2013).
Het is onmogelijk om te praten over de enorme bijdragen van Hawking aan het menselijk begrip van het universum zonder de context van zijn lang achteruitgaande gezondheid te erkennen. Hawking's twee baanbrekende bijdragen aan de natuurkunde kwamen in dezelfde periode waarin hij transformeerde van een jonge persoon die alleen kon lopen naar een man die in een rolstoel zat, zijn spraak vertroebelde en afhankelijk was van zijn vrouw om zijn gedachten te transcriberen .
ALS verlamt het lichaam, maar - althans in het geval van Hawking - schaadt het de geest niet. En daarvoor, schreef Ferguson, heeft Hawking zichzelf lange tijd 'buitengewoon gelukkig' gerekend.
'Het was waar in 1964, en het is vandaag', schreef Ferguson, 'dat wat Hawking betreft, hoe minder van zijn fysieke problemen hij is, hoe beter. Ik herkende in 1989, tijdens interviews voor mijn eerste boek over hem, dat als ik over zijn wetenschappelijk werk zou schrijven en niet volledig zou vermelden dat het doen van zulk werk mogelijk meer een prestatie voor hem betekende dan voor de meeste mensen, dan zou dat hem goed uitkomen. '
Hawking lijkt het meest comfortabel te zijn om handicap te bespreken in de context van zijn activisme, dat aanzienlijk is geweest. In 1999 sloot hij zich aan bij een groep van 12 prominente figuren, waaronder de Zuid-Afrikaanse activist Desmond Tutu, door een handvest te ondertekenen waarin de regeringen van de wereld werden opgeroepen om hun relaties met hun gehandicapte bevolkingsgroepen te transformeren en diensten uit te breiden die het leven van mensen met een handicap verbeteren.
Hawking was ook een prominente verdediger van de universele gezondheidszorg en de National Health Service (NHS) van het Verenigd Koninkrijk, en ging zelfs zover om de conservatieve partijgezondheidssecretaris Jeremy Hunt aan te vallen in een toespraak van augustus 2017 voor onvoldoende financiering en ondersteuning van het programma.
'Ik zou hier niet zijn zonder de NHS,' zei Hawking.
Hawking krijgt de meeste aandacht voor zijn ideeën over de toekomst van de mensheid wanneer hij commentaar geeft op kunstmatige intelligentie of buitenaardse wezens. Maar het grootste deel van zijn uitspraken over dit onderwerp waren meer nuchter: tegengestelde oorlogen, bang dat het ontslag van de klimaatverandering door de Amerikaanse president Donald Trump de planeet zou kunnen schaden, en zich aansluiten bij de wereldwijde academische boycot van Israël.
WordsSideKick.com wenst Hawking een heel fijne verjaardag en nog veel meer.
