Stephen Hawking, fizicianul care a răsucit universul și a degresat particule impulsionate din regiunile hotare hotare ale găurilor negre, împlinește 76 de azi (8 ianuarie).
Pe lângă faptul că este un cosmolog de renume mondial, Hawking a devenit ceva din icoana culturii pop. Este o figură izbitoare: un geniu încolăcit într-un corp în mare parte imobilizat de scleroza laterală amiotrofică sau ALS. Este susținut de un scaun cu rotile avansat și comunică lumii printr-un sistem rar și specializat care transformă mișcările unui singur mușchi din obraz în vorbire. În acest mod, el a apărut pe „Star Trek: The Next Generation”, „The Simpsons” și „The Big Bang Theory”.
Dar moștenirea cea mai de lungă durată a lui Hawking va fi ca cel mai important fizician al celei de-a doua jumătăți a secolului XX - un cercetător care a preluat lucrările anterioare ale unor figuri precum Albert Einstein și Werner Heisenberg și le-a tricotat într-o abordare coerentă a comportamentului cosmosul.
„Există o singularitate în trecutul nostru”
Nicio poveste genială bună nu începe cu nimic mai puțin decât un bang, așa că este potrivit ca prima mare realizare a lui Hawking să fie și teza sa de doctorat la Universitatea din Cambridge.
Teza lui Hawking, aprobată în 1966, a făcut un argument dramatic: faptul că întregul univers a început ca un singur punct, infinit de mic și dens și încolăcit pe sine - un punct la începutul tuturor. Sau, după cum avea să scrie mai târziu, succint: „Există o singularitate în trecutul nostru”.
A fost prima descriere a Big Bang-ului așa cum se înțelege în mod obișnuit astăzi: un punct infinit de mic la distanța de timp care izbucnește în cosmosul nostru modern, în continuă expansiune.
Așa cum Hawking a descris în prelegerea sa din 2005 „Originea Universului”, teza sa a ajuns într-un moment în care oamenii de știință au văzut că vasta suprafață goală a spațiului, șanțurile dintre galaxii, se extindeau. Dar nu erau siguri de ce. Unii fizicieni au propus versiuni mai slabe ale conceptului Big Bang, minus singularitatea. Dar o altă teorie, numită Universul de stat constant, era dominantă.
„Pe măsură ce galaxiile s-au despărțit”, a spus Hawking despre Universul Steady State, „ideea era că noile galaxii se vor forma din materie care trebuia să fie creată continuu în tot spațiul. Universul ar fi existat pentru totdeauna și ar fi arătat la fel la toate timpurile."
Cu alte cuvinte, mulți oameni de știință au crezut că universul se extinde, dar într-un mod care nu i-a dat niciun început și nici un sfârșit.
După cum a scris biograful Kitty Ferguson în cartea sa "Stephen Hawking: An Unfettered Mind" (St. Martin's Griffin, 2012), Hawking s-a luptat cu depresia în lunile de după diagnosticul ALS din 1963, la 21 de ani, și ar fi putut persistă această boală mentală, ar putea nu am ajuns niciodată la teza sa. Însă depresia lui a scăzut, întrucât a devenit clar că a fost peste așteptări și atunci când i s-a acordat o excepție de la regulile Cambridge care guvernează studenții absolvenți, care îi permit să se căsătorească cu prima sa soție, Jane Wilde, potrivit Ferguson.
În acea perioadă înainte de a ajunge la subiectul tezei sale de doctorat, Hawking a raportat că s-a arătat frustrat de modul în care cercetătorii s-au ocupat de lucrările pe care le-a considerat în cele din urmă banale.
„Oamenii au fost atât de mulțumiți să găsească orice soluție la ecuațiile de teren; nu au întrebat ce semnificație fizică are,” a spus el mai târziu în prelegerea sa de naștere din 2002.
Această frustrare l-a dus la prima sa perie cu notorietate. După cum a povestit Ferguson, Hawking a călătorit în iunie 1964 pentru a asculta o prelegere de la Fred Hoyle, un cunoscut astronom și avocat al teoriei Universului Steady State. În timpul prelegerii, Hawking a devenit atât de frustrat încât s-a ridicat în picioare, sprijinindu-se de bastonul său, pentru a contesta unul dintre rezultatele lui Hoyle.
"Un Hoyle uimit l-a întrebat pe Hawking cum ar putea să judece dacă rezultatul a fost corect sau greșit", a scris Ferguson. "Hawking a răspuns că" l-a rezolvat ".
Publicul a fost impresionat, iar Hoyle a fost „infuriat”, de către acest student absolvent necunoscut, care părea să distrugă cercetările profesorului din capul său, a scris Ferguson. (De fapt, Hawking s-a împrietenit cu unul dintre elevii lui Hoyle și a început să atace ideea cu mult înainte de prelegere.)
Curând după aceea, a scris Ferguson, Hawking a aflat despre o teorie cosmologică dezvoltată de matematicianul Roger Penrose: că singularitățile, punctele de densitate infinită și curbura spațiu-timp teoretizată în relativitate generală, ar putea apărea de fapt atunci când stelele suficient de mari se prăbușesc asupra lor.
"Hawking a decolat de acolo", a scris Ferguson, a inversat direcția timpului și a considerat ce s-ar întâmpla dacă un punct de densitate infinită și curbură infinită a spațiului-timp - o singularitate - a explodat spre exterior și s-a extins. Presupunem că spațiul-timp, încolăcit strâns într-un punct minuscul, fără dimensiuni, a explodat în ceea ce numim Big Bang și s-a extins până pare așa cum se întâmplă astăzi. Trebuie sa s-a întâmplat așa? "
Hawking a început să funcționeze, susținându-și trenul de speculații cu calcule solide de susținere. Teza sa de doctorat, bazată pe aceste calcule, a fost aprobată în 1966. Aceste calcule, împreună cu cercetările de urmărire realizate în parteneriat cu Penrose în deceniul următor, au format fundamentul pentru înțelegerea modernă a oamenilor de știință despre Big Bang.
Cam în același timp, anumite predicții-cheie ale teoriei Universului Steady State au început să eșueze testele experimentale, cimentând statutul lui Hawking ca descoperitor al adevăratei istorii a universului timpuriu.
Explozii cu gaura neagră?
Dacă singura realizare a lui Hawking în cariera sa ar descoperi forma istorică a universului, el ar fi totuși un gigant - genul de persoană menționată alături de Rosalind Franklin, care a descoperit forma ADN-ului cu dublă helixă sau Nicolaus Copernicus, care a propus pentru prima dată model heliocentric al sistemului solar. Dar aceasta a fost doar prima dintre cele două realizări definitorii ale lui Hawking.
Al doilea, radiația Hawking, necesită un pic de înțelegere a două lucruri: găurile negre și mecanica cuantică a spațiului gol.
În primul rând, despre gaurile negre: O gaură neagră este o stea care s-a prăbușit pe sine și a devenit atât de intensă gravitațional încât nici măcar lumina nu poate scăpa dintr-o regiune din jurul centrului său. Dincolo de acel punct, numit orizontul evenimentului, spațiul-timp este atât de curbat încât tot ce se încadrează în spatele giulgiului se pierde pentru totdeauna. O gaură neagră, conform acestei înțelegeri de la începutul anilor 1970, nu emite niciodată lumină, nu se micșorează niciodată, nu pierde niciodată masă; câștigă doar masă și atrage mai mult spațiu în teritoriul său învăluit.
În al doilea rând, cu privire la mecanica cuantică: Până la momentul carierei lui Hawking, oamenii de știință știau de mult că pricinple de incertitudine al lui Heisenberg presupunea că spațiul gol nu este cu adevărat gol. În schimb, se plimbă cu particule „virtuale” - perechi de materie-antimaterie care apar împreună, se separă și apoi se prăbușesc între ele și se anihilează într-un interval de timp prea scurt pentru a fi măsurat. (Oamenii de știință susțin până în prezent dacă acele particule virtuale există cu adevărat sau există doar în ecuații cuantice datorită naturii lor ciudate, probabilistice.)
La sfârșitul verii 1973, Ștefan și Jane Hawking au participat la o serie de prelegeri la Varșovia, Polonia, care sărbătorește 500 de ani de la Copernic, scrie Ferguson. Acolo, Hawking a întâlnit doi fizicieni sovietici, Yakov Borisovich Zel'dovich și elevul său Alexei Alexandrovich Starobinsky, care arătaseră că energia învârtirii găurilor negre va crea particule chiar în afara orizonturilor lor de evenimente. Aceste particule s-ar înghesui în spațiu, au spus Zel'dovich și Starobinsky în cadrul prelegerii lor, ștergând o parte din vârful găurii negre în timp ce mergeau. În cele din urmă, au spus Zel'dovich și Starobinsky, găurile negre nu vor mai învârti.
Ideea a rămas în capul lui Hawking, scria Ferguson, iar el s-a întors la Cambridge pentru a repeta și perfecționa calculele lui Zel'dovich și Starobinksy. Însă, când a luat primele încercări la rezultatele lor, s-a desfășurat ceva nou.
„Am descoperit, spre surprinderea și supărarea mea, că chiar și găurile negre nerotante ar trebui să creeze și să emită particule într-un ritm constant”, a scris mai târziu în cartea sa din 1988 „O scurtă istorie a timpului”.
Iată de ce, așa cum a explicat în acea carte:
Dacă găurile negre există în spațiu și au orizonturi de eveniment definite și dacă spațiul se plimbă constant cu „perechi de particule auto-anihilante” virtuale, atunci uneori aceste particule trebuie să apară chiar la marginile orizonturilor de eveniment ale găurilor negre. De fapt, unele din acele perechi de particule trebuie să apară perfect poziționat cu o particulă antimaterie cu masă negativă, separată pe o parte a orizontului evenimentului și cealaltă particulă cu masă pozitivă separată pe cealaltă parte.
Această ciudată împrejurare ar „spori” în mod efectiv particulele din semiexistența lor virtuală în realitatea deplină, și-a dat seama Hawking, întrucât s-ar fi separat suficient încât să nu se anihileze. Asta însemna că particule de energie și masă par să curgă de la suprafața orizonturilor de eveniment ale găurilor negre. Și acel flux de energie, care radiază în exterior din ceea ce fizicienii crezuseră anterior că sunt niște corpuri veșnic întunecate, a luat numele de radiație Hawking, după ce l-a descris într-o lucrare din 1974 în Nature intitulată „The Black Hos Explosions?”
Radiația Hawking a schimbat profund modul în care fizicienii au înțeles universul. Înainte de realizarea lui Hawking, oamenii de știință au crezut că orice materie sau energie pierdută pentru o gaură neagră era plecată din universul mai larg pentru totdeauna, astfel încât orizonturile de eveniment ale găurilor negre ar acționa ca ziduri dincolo de care unele lucruri ale universului nu s-ar mai întoarce niciodată.
Dar descoperirea lui Hawking a arătat că găurile negre se vor descompune mai repede și mai repede în timp. Pentru fiecare particulă pozitivă care curgea de la suprafața unui orizont de eveniment în universul mai larg, o particulă negativă cu energie și masă negativă ar cădea în spațiul dincolo de orizontul evenimentului, reducând masa totală și energia blocată acolo. De-a lungul timpului, acel proces ar duce la micșorarea găurilor negre. Și pe măsură ce se micșorau, aveau să devină mai activi cu radiația Hawking și să se micșoreze mai repede.
Hawking a prezis că universul trebuie să conțină „găuri negre primordiale” care au apărut nu din stele care se prăbușesc, ci din presiunile extreme ale universului timpuriu. Motiva aceste găuri negre, s-ar fi micșorat considerabil de-a lungul a miliarde de ani care au intervenit, iar orizonturile lor de evenimente mici ar provoca raze puternice de radiații Hawking.
„Asemenea găuri cu greu meritau negru: sunt cu adevărat alb fierbinte", a scris în„ O scurtă istorie a timpului ".
În cele din urmă, Hawking a decis că vor exploda.
În timp ce Hawking a început să împărtășească această idee, Ferguson a scris în „An Unfettered Mind”, colegii săi au primit-o ca fiind genială sau eretică. Când Penrose a auzit șoapte, l-a sunat pe Hawking, în timp ce fizicianul stătea la cina de naștere din 1974 și l-a felicitat atât de mult, încât cina i-a fost rece. Dar luni mai târziu, moderatorul de la simpozionul în care Hawking și-a prezentat propunerea s-a ridicat pentru a-l declara „gunoi complet”.
Astăzi, este considerat un fapt științific de bază.
Dincolo de găurile negre
În cele patru decenii și jumătate de la „Explozii ale găurilor negre?” Hawking a continuat să publice cercetări care se bazează pe bazele universului - inclusiv idei care atacă propriile sale contribuții anterioare. (A se vedea, de exemplu, titlul surprinzător din 2014, în „Nature Hawking: Nu există găuri negre” ”.)
Hawking a devenit cel mai faimos în cariera sa ulterioară de comunicator științific. A urmat clasicul său „O scurtă istorie a timpului” din 1988, cu încă 10 lucrări de știință populară și o memorie, intitulată „My Brief History” (Random House, 2013).
Este imposibil să vorbim despre contribuțiile enorme ale lui Hawking la înțelegerea umană a universului fără a recunoaște contextul sănătății sale declinate de multă vreme. Cele două contribuții seminale ale lui Hawking la fizică au venit în aceeași perioadă în care s-a transformat dintr-un tânăr care a fost capabil să meargă de unul singur într-un bărbat care s-a limitat la un scaun cu rotile, și-a încurcat discursul și s-a bazat pe soția sa pentru a-și transcrie gândurile. .
ALS paralizează corpul, dar - cel puțin în cazul lui Hawking - nu dăunează minții. Și pentru asta, a scris Ferguson, Hawking s-a socotit de mult „extrem de norocos”.
"A fost adevărat în 1964 și este astăzi", a scris Ferguson, că în ceea ce-l privește pe Hawking, cu atât mai puțin făcut din problemele sale fizice, cu atât mai bine. Am recunoscut în 1989, în timpul interviurilor pentru prima mea carte despre el, asta dacă ar fi să scriu despre opera sa științifică și nu reușesc să menționez în totalitate faptul că realizarea unei astfel de lucrări ar putea reprezenta mai mult o realizare pentru el decât pentru majoritatea oamenilor, asta l-ar fi potrivit. "
Hawking a părut cel mai confortabil discutând despre dizabilitate în contextul activismului său, ceea ce a fost semnificativ. În 1999, s-a alăturat unui grup de 12 figuri marcante, printre care activistul sud-african Desmond Tutu, în semnarea unui statut care a solicitat guvernelor lumii să-și transforme relațiile cu populațiile cu dizabilități și să extindă serviciile care îmbunătățesc viața persoanelor cu dizabilități.
Hawking a fost, de asemenea, un apărător proeminent al asistenței medicale universale și al Serviciului Național de Sănătate al Regatului Unit (NHS) al Marii Britanii, urmând să atace secretarul de sănătate al partidului conservator Jeremy Hunt într-un discurs din august 2017 pentru finanțarea și susținerea insuficientă a programului.
"Nu as fi aici fara NHS", a spus Hawking.
Hawking tinde să atragă cea mai mare atenție pentru ideile sale despre viitorul umanității atunci când comentează inteligența artificială sau extratereștrii. Însă cea mai mare parte a declarațiilor sale pe această temă au fost mai mult pe jos: opunerea războaielor, îngrijorându-se că renunțarea la schimbările climatice a președintelui american Donald Trump ar putea dăuna planetei și s-a alăturat boicotului academic global al Israelului.
Live Science își dorește Hawking o zi de naștere foarte fericită și multe altele.
