Stephen Hawking, fysikeren som spolet tilbake universet og skummet boostet partikler fra de varme grenseområdene til sorte hull, blir 76 år i dag (8. januar).
I tillegg til å være en verdenskjent kosmolog, har Hawking blitt noe av et popkulturikon. Han er en slående skikkelse: et geni som er krøllet sammen i en kropp som stort sett er immobilisert av amyotrofisk lateral sklerose, eller ALS. Han støttes av en avansert rullestol og kommuniserer til verden gjennom et sjeldent og spesialisert system som konverterer bevegelsene til en enkelt muskel i kinnet til tale. I den modusen dukket han opp på "Star Trek: The Next Generation", "The Simpsons" og "The Big Bang Theory."
Men Hawkings mest varige arv vil være som den viktigste fysikeren i andre halvdel av 1900-tallet - en forsker som tok de tidligere figurene som Albert Einstein og Werner Heisenberg og strikket dem sammen til noe som nærmer seg en sammenhengende forklaring på oppførselen til kosmos.
"Det er en enkelhet i vår fortid"
Ingen god genistorie starter med noe mindre enn et smell, så det er passende at Hawkings første store prestasjon også var doktorgradsavhandlingen hans ved University of Cambridge.
Hawkings avhandling, godkjent i 1966, fremsatte et dramatisk argument: at hele universet begynte som et enkelt punkt, uendelig lite og tett og krøllet over seg selv - et punkt i begynnelsen av alt. Eller, som han senere ville skrevet, kortfattet: "Det er en singularitet i vår fortid."
Det var den første beskrivelsen av Big Bang slik den ofte forstås i dag: et uendelig lite punkt langt i tiden som braste ut i vårt moderne, stadig voksende kosmos.
Som Hawking beskrev i sitt foredrag fra 2005 "The Origin of the Universe", kom oppgaven til et øyeblikk da forskere hadde sett at de enorme tomme rekkevidden av verdensrommet, chasmen mellom galakser, ekspanderte. Men de var ikke sikre på hvorfor. Noen fysikere foreslo svakere versjoner av Big Bang-konseptet, minus singulariteten. Men en annen teori, kalt Steady State Universe, var dominerende.
"Da galakser flyttet fra hverandre," sa Hawking om Steady State Universe, "tanken var at nye galakser skulle dannes fra materie som antas å kontinuerlig bli skapt i hele verdensrommet. Universet ville ha eksistert for alltid og ville sett det samme ut på alle tider."
Med andre ord, mange forskere trodde at universet ekspanderte, men på en måte som ga det ingen begynnelse og ingen slutt.
Som biograf Kitty Ferguson skrev i sin bok "Stephen Hawking: An Unfettered Mind" (St. Martins Griffin, 2012), slet Hawking med depresjon i månedene etter ALS-diagnosen i 1963 i en alder av 21, og hadde den psykiske lidelsen vedvarende, kunne han har aldri kommet frem til oppgaven hans. Men depresjonen hans avtok da det ble klart at han overlevde forventningene, og da han fikk et unntak fra Cambridge-regler for forskerstudenter, som tillater ham å gifte seg med sin første kone, Jane Wilde, ifølge Ferguson.
I løpet av den perioden før han kom til emnet for doktorgradsavhandlingen, rapporterte Hawking at han følte seg frustrert over måten forskere buset seg med arbeid han vurderte til slutt å være triviell.
"Folk var så glade for å finne noen løsning på feltligninger; de spurte ikke hvilken fysisk betydning, om noen, det hadde det," sa han senere i bursdagsforedraget i 2002.
Den frustrasjonen førte ham til hans første børste med beryktethet. Som Ferguson forteller, reiste Hawking i juni 1964 for å høre et foredrag fra Fred Hoyle, en berømt astronom og talsmann for Steady State Universe-teorien. Under foredraget ble Hawking så frustrert at han trakk seg på beina, lente seg på stokk for å utfordre et av Hoyles resultater.
"En overrasket Hoyle spurte Hawking hvordan han muligens kunne dømme om resultatet var riktig eller galt," skrev Ferguson. "Hawking svarte at han hadde 'ordnet det.'"
Publikum ble imponert, og Hoyle ble "forarget" av denne ukjente doktorgradsstudenten som hadde sett ut til å rive sammen professorens forskning i hodet på forelesningen, skrev Ferguson. (Faktisk hadde Hawking blitt venn med en av Hoyles studenter og begynt å angripe ideen lenge før forelesningen.)
Like etterpå, skrev Ferguson, lærte Hawking om en kosmologisk teori utviklet av matematikeren Roger Penrose: at singulariteter, poengene med uendelig tetthet og rom-tid krumning som er teoretisert i generell relativitet, faktisk kan vises når tilstrekkelig store stjerner kollapser på seg selv.
"Hawking tok av derfra," skrev Ferguson, "snudde tidsretningen og vurderte hva som ville skje hvis et punkt med inifinitt tetthet og uendelig krumning av rom-tid - en singularitet - eksploderte utover og utvidet. Anta at universet begynte som Anta at romtid, krøllet sammen i et bittelitt, dimensjonsløst punkt, eksploderte i det vi kaller Big Bang og utvidet til det ser slik det ser ut i dag. Kan det ha skjedd sånn? Må har det skjedd sånn? "
Hawking begynte å jobbe og sikkerhetskopierte hans spekulasjonstog med robuste støtteberegninger. Doktoravhandlingen hans, basert på disse beregningene, ble godkjent i 1966. Disse beregningene, sammen med oppfølgingsforskning utført i samarbeid med Penrose i tiåret som fulgte, dannet grunnlaget for forskernes moderne forståelse av Big Bang.
Omtrent på samme tid begynte visse viktige forutsigelser av Steady State Universe-teorien å mislykkes eksperimentelle tester, og sementerte Hawkings status som oppdager av den sanne historien til det tidlige universet.
Svarthullseksplosjoner?
Hvis Hawkings eneste prestasjon i karrieren hans var å oppdage universets historiske form, ville han fortsatt være en gigant - den personen som ble nevnt sammen med Rosalind Franklin, som oppdaget DNA med dobbeltspiral, eller Nicolaus Copernicus, som først foreslo heliosentrisk modell av solsystemet. Men det var bare den første av Hawkings to definerende prestasjoner.
Den andre, Hawking-stråling, krever litt forståelse av to ting: sorte hull og kvantemekanikken i tomt rom.
For det første om sorte hull: Et svart hull er en stjerne som har kollapset på seg selv og blitt så gravitasjonsmessig intens at ikke engang lys kan unnslippe et område rundt sentrum. Utover det punktet, kalt hendelseshorisonten, er rom-tid så krummet at alt som faller bak hylsen går tapt for alltid. Et svart hull, i henhold til denne forståelsen på begynnelsen av 1970-tallet, avgir aldri lys, krymper aldri, mister aldri masse; den får bare masse og henter mer plass inn i det innhyllede territoriet.
For det andre, om kvantemekanikk: Ved Hawkings karriere, hadde forskere lenge visst at Heisenbergs usikkerhet på forhånd antydet at tomt rom ikke egentlig er tomt. I stedet roiler det med "virtuelle" partikler - materie-antimaterielle par som vises sammen, skiller seg og deretter krasjer inn i hverandre og ødelegger i løpet av en tid som er for kort til å måle. (Forskere argumenterer for i dag om disse virtuelle partiklene virkelig eksisterer eller bare dukker opp i kvantelikninger på grunn av deres rare, sannsynlige natur.)
På sensommeren 1973 deltok Stephen og Jane Hawking på en forelesningsserie i Warszawa, Polen, for å feire Copernicus 500-årsdag, skrev Ferguson. Der møtte Hawking to sovjetiske fysikere, Yakov Borisovich Zel'dovich og hans student Alexei Alexandrovich Starobinsky, som hadde vist at energien til å snurre sorte hull ville skape partikler rett utenfor deres begivenhetshorisonter. De partiklene ville forsvinne ut i verdensrommet, sa Zel'dovich og Starobinsky i foredraget sitt, og sapper litt av snurret på det sorte hullet mens de gikk. Etter hvert, sa Zel'dovich og Starobinsky, ville de sorte hullene slutte å snurre.
Ideen satt i hodet til Hawking, skrev Ferguson, og han kom tilbake til Cambridge for å gjenta og foredle Zel'dovich og Starobinksys beregninger. Men da han tok sitt første stikk på resultatene, utspilte det seg noe nytt.
"Jeg fant, til min overraskelse og irritasjon, at selv ikke-roterende sorte hull tilsynelatende skulle skape og avgi partikler med jevn hastighet," skrev han senere i sin bok fra 1988 "A Brief History of Time."
Dette er hvorfor, som han forklarte i den boken:
Hvis sorte hull eksisterer i verdensrommet og har definerte begivenhetshorisonter, og hvis verdensrommet konstant går rundt med virtuelle "par med selvutslettende partikler, må noen ganger disse partiklene dukke opp til eksistensen rett på kantene av sorte hull 'begivenhetshorisonter. av disse partikkelparene må virke perfekt plassert med en antimateriale partikkel med negativ masse som er adskilt på den ene siden av hendelseshorisonten og den andre partikelen med positiv massestoff separert på den andre siden.
Den merkelige omstendigheten ville effektivt "boostet" partiklene fra deres virtuelle semieeksistens til full virkelighet, innså Hawking, ettersom de ville ha skilt nok til ikke å utslette. Det betydde at partikler av energi og masse så ut til å strømme fra overflaten av svarte hulls begivenhetshorisonter. Og den strømmen av energi, som strålte utover fra det fysikere tidligere hadde trodd var evig mørke kropper, tok navnet Hawking-stråling, etter at han beskrev det i et papir fra 1974 i Nature med tittelen "Black Hole Explosions?"
Hawking-stråling endret kraftig måten fysikere forsto universet. Før Hawking ble klar over, trodde forskere at enhver materie eller energi som gikk tapt for et svart hull ble borte fra det bredere universet for alltid, slik at svarte hulls begivenhetshorisonter ville fungere som murer der noen av universets ting aldri ville komme tilbake.
Men Hawkings oppdagelse viste at svarte hull ville forfalle raskere og raskere etter hvert. For hver positiv partikkel som strømmet fra overflaten av en hendelseshorisont ut i det større universet, ville en negativ partikkel med negativ energi og masse falle tilbake i rommet utenfor hendelseshorisonten, og redusere den totale massen og energien som er låst der borte. Over tid vil den prosessen få svarte hull til å krympe. Og når de krympet, ville de bli mer aktive med Hawking-stråling og krympe raskere.
Hawking spådde at universet må inneholde "urbane sorte hull" som ikke kom fra kollapsende stjerner, men fra det ekstreme presset fra det tidlige universet. Disse sorte hullene, hevdet han, ville ha krympet betraktelig i løpet av milliarder av år og de små begivenhetshorisontene ville kaste ut kraftige stråler fra Hawking-stråling.
"Slike hull fortjente knapt svart: de er virkelig hvit het, skrev han i "En kort historie om tid."
Etter hvert, bestemte Hawking, ville de eksplodere.
Da Hawking begynte å dele denne ideen, skrev Ferguson i "An Unfettered Mind", likte hans jevnaldrende den enten som strålende eller kjetter. Da Penrose hørte hvisker om det, ringte han Hawking på samme måte som fysikeren satte seg til bursdagsmiddagen i 1974 og gratulerte ham så lenge at middagen ble kald. Men måneder senere reiste moderatoren på symposiet der Hawking presenterte sitt forslag for å erklære det som "fullstendig søppel."
I dag anses det som et grunnleggende vitenskapelig faktum.
Utover svarte hull
I løpet av det fire og et halvt tiåret siden "Black Hole Explosions?" Hawking har fortsatt å publisere forskning som plukker bort under grunnlaget for universet - inkludert ideer som angriper hans egne tidligere bidrag. (Se for eksempel den oppsiktsvekkende overskriften i Nature, "Stephen Hawking: There Are No Black Holes".)
Hawking har blitt mest kjent i sin senere karriere som vitenskapelig formidler. Han har fulgt opp sin klassiker fra 1988 "A Brief History of Time" fra 1988 med 10 flere populærvitenskapelige verk og et memoar, med tittelen "My Brief History" (Random House, 2013).
Det er umulig å snakke om Hawkings enorme bidrag til den menneskelige forståelsen av universet uten å erkjenne sammenhengen for hans langvarige helse. Hawkings to seminale bidrag til fysikk kom i samme periode hvor han forvandlet seg fra en ung person som var i stand til å gå på egenhånd til en mann som var innesperret i rullestol, slurpet talen og var avhengig av sin kone for å transkribere sine tanker .
ALS lammer kroppen, men - i hvert fall i Hawkings tilfelle - det skader ikke sinnet. Og for det, skrev Ferguson, har Hawking lenge regnet seg som «ekstremt heldig.»
"Det var sant i 1964, og det er i dag," skrev Ferguson, "at hva Hawking angår, jo mindre laget av hans fysiske problemer, desto bedre. Jeg kjente igjen i 1989, under intervjuer for min første bok om ham, at hvis jeg skulle skrive om hans vitenskapelige arbeid og ikke helt nevner at å gjøre et slikt arbeid muligens representerte en mer prestasjon for ham enn for de fleste, ville det ha passet ham bra. "
Hawking har fremstått som mest komfortabel med å diskutere funksjonshemming i sammenheng med sin aktivisme, noe som har vært betydelig. I 1999 sluttet han seg til en gruppe av 12 fremtredende skikkelser, inkludert den sørafrikanske aktivisten Desmond Tutu, når han signerte et charter der han oppfordret verdens regjeringer til å transformere sine forhold til sine funksjonshemmede befolkninger og utvide tjenester som forbedrer livene til mennesker med nedsatt funksjonsevne.
Hawking har også vært en fremtredende forsvarer for universell helsehjelp og Storbritannias nasjonale helsetjeneste (NHS), og har gått så langt som å angripe Høyresekretær for det konservative partiet, Jeremy Hunt, i en tale i august 2017 for utilstrekkelig finansiering og støtte for programmet.
"Jeg ville ikke vært her uten NHS," sa Hawking.
Hawking har en tendens til å få mest mulig oppmerksomhet for ideene sine om menneskehetens fremtid når han kommenterer kunstig intelligens eller romvesener. Men hoveddelen av uttalelsene hans om temaet har vært mer jordnære: motstandere av kriger, med bekymring for at USAs president Donald Trumps avskjed av klimaendringer kan skade planeten, og bli med i den globale akademiske boikotten av Israel.
Live Science ønsker Hawking en veldig lykkelig bursdag og mange flere.
