Gea

Bleščeč um, ujet v paralizirano telo

Stephen Hawking je iskal teorijo vsega, ki bi povezala teorijo relativnosti in kvantno mehaniko, in pokazal, da ključ leži prav v preučevanju črnih lukenj

Tekst: Polona Frelih

slika
Ko so ga vprašali, ali verjame v Boga, je odgovoril, da samo, če se pod  Bogom razume utelešenje vseh tistih sil, ki vladajo vesolju. Zaradi zanikanja Boga je bil tarča kritik tudi v znanstveni skupnosti.

»Najbolj inteligenten človek na svetu, popularizator znanosti, osamljeni genij in celo prvi kiborg« so se časopisi po vsem svetu ob smrti poklonili britanskemu teoretičnemu fiziku Stephenu Hawkingu. Le redki pa so se v svojih člankih ukvarjali z njegovimi znanstvenimi dosežki. 

Hawking je bil namreč tudi kulturna ikona, kar je bil status, ki ga je le še okrepila invalidnost njegovega telesa. Medijska pozornost je zasenčila njegovo znanstveno zapuščino, ki jo primerjajo z Einsteinovo. Ob njegovem imenu radi omenjajo tudi Isaaca Newtona, saj je tako kot Hawking zasedal enega najuglednejših profesorskih položajev na svetu – bil je Lucasov profesor matematike na univerzi v Cambridgeu. 

Med številnimi nastopi, na katerih je doživljal stoječe ovacije, je led v dvorani rad prebil s pripovedjo o tem, da se je rodil natanko 300 let po smrti legendarnega astrologa Galileja – 8. januarja 1942. Lahko si samo predstavljamo, s kakšno hudomušnostjo bi razlagal, če bi vedel, da bo umrl 14. marca 2018 – ob 139. obletnici Einsteinovega rojstva. 

Trideset let po izidu temeljnega dela z naslovom Kratka zgodovina časa (A Brief History of Time), ki ga je izstrelilo med zvezde, saj je z njim pravzaprav izumil do takrat še neznan žanr popularne znanosti, je v znanstveni skupnosti prevladal konsenz, da utegnejo biti njegova odkritja ključna pri odkrivanju teorije vsega, ki je hipotetičen, enoten, vseobsegajoč in skladen teoretični okvir fizike, ki bi v celoti pojasnil in povezal vse fizikalne vidike vesolja.

Teorija vsega ostaja eden glavnih nerešenih problemov v fiziki in je tudi naslov z oskarjem nagrajenega filma o odnosu Hawkinga z njegovo prvo soprogo Jane Wilde. Podlaga za film je bil njen avtobiografski roman Popotovanje v neskončnost: Moje življenje s Stephenom (Travelling to Infinity: My life with Stephen). 

Najbolj prepoznaven znanstvenik našega časa je imel navdušujoč smisel za humor in drznost, ki sta v današnji družbi zelo zaželeni lastnosti, ter navidezno nadčloveški um. Po zaslugi te kombinacije je postal tudi tržno najbolj uspešen znanstvenik na svetu, saj je ustvaril premoženje, vredno 20 milijonov dolarjev. 

Kariero je začel z velikim pokom

V britanski znanstveni reviji New Scientist so ob Hawkingovi smrti objavili podroben pregled njegovih znanstvenih dosežkov in hipotez. 

Znanstveno kariero na univerzi v Cambridgeu, kjer je leta 1962 vpisal doktorski študij kozmologije, je začel z velikim pokom. Dobesedno. Ideji velikega poka je takrat nasprotovalo veliko znanstvenikov, saj niso znali pojasniti, kaj naj bi se dogajalo povsem na začetku vesolja, mladi Stephen pa si je zastavil drzno vprašanje: Ali ima čas začetek? 
Da bi rešil ta problem, je začel preučevati delo Rogerja Penroze, ki je na podlagi splošne teorije relativnosti izračunal, da pri črnih luknjah nujno nastane singularnost oziroma točka z neskončno gostoto, v kateri se čas ustavi. Ugotovitve, pridobljene s preučevanjem črnih lukenj, je Hawking posplošil na celotno vesolje in uspelo mu je pokazati, da je bil tudi veliki pok podobna singularnost, v kateri se čas ustavi. Trenutka pred začetkom vesolja po njegovem torej ni bilo. Vesolje ima resda začetek, ne potrebuje pa stvarnika.

Šel je še korak dlje, saj je slutil, da Einstein ni rekel zadnje besede. Splošna relativnost, ki opisuje vesolje in čas na podlagi velikih materij, namreč ne upošteva kvantne mehanike oziroma nenavadnega vedenja zelo majhnih delcev, kot so atomi, elektroni in podobno. Skorajda religiozno je postal obseden z iskanjem teorije vsega, ki bi povezala teorijo relativnosti in kvantno mehaniko. Pokazal je, da ključ leži prav v preučevanju črnih lukenj.  

Črne luknje kot ključ 

Zdijo se zastrašujoče, njihovo delovanje pa je precej enostavno: črne luknje imajo tako močna gravitacijska polja, da se nič, niti svetloba, ne more izogniti njihovemu oprijemu. Vsaka snov, ki pade v črno luknjo, je za zunanji svet za vedno izgubljena, kar je v nasprotju z zakoni termodinamike.

Drugi zakon termodinamike je celo eden od najbolj uveljavljenih zakonov narave, v skladu z njim pa se entropija oziroma raven motnje v sistemu vedno povečuje. To v praksi pomeni, da se ledene kocke stopijo v lužo, voda pa se nikoli spontano ne pretvori v kocko ledu. Vsaka snov vsebuje entropijo, zato se postavlja vprašanje, kaj se zgodi, če pade v črno luknjo. Se entropija izgubi skupaj s snovjo? Če bi to držalo, potem črne luknje kršijo drugi zakon termodinamike, pomeni pa tudi, da bi se zmanjšala celotna entropija vesolja. 

Hawking na svoji poti do globlje resnice ni imel težav z  zavračanjem že sprejetih konceptov, tudi drugega zakona termodinamike, a mu je pot prekrižal Jacob Bekenstein, ki je vztrajal, da bi moral drugi zakon termodinamike veljati tudi za črne luknje. 

Bekenstein je bil strokovnjak za problem entropije in je morebitno rešitev dosegel prav s pomočjo predhodnih Hawkingovih ugotovitev. V skladu z njimi črna luknja svojo singularnost skriva z mejo, ki je znana kot horizont dogodkov. Nič, kar prečka horizont dogodkov, se ne more nikoli vrniti, se pravi, da se območje dogodka črne luknje s časom ne more zmanjševati. Še več, ko materija pade v črno luknjo, se območje njenega horizonta dogodkov poveča. 

Bekenstein je bil prepričan, da je našel ključ do rešitve problema entropije. Vsakokrat, ko črna luknja pogoltne materijo, se zdi, da je entropija izgubljena, hkrati pa se povečuje njen horizont dogodka. Bekenstein je razmišljal, da je drugi zakon termodinamike mogoče ohraniti, če merilo entropije postane samo območje horizonta. 

Hawkingu ideja ni bila niti najmanj všeč. Še več, bil je naravnost zgrožen, da je nekdo njegove ugotovitve uporabil v podporo tako zgrešenega koncepta. Razmišljal je, da vsako entropijo spremlja toplota, črna luknja pa nikakor ne more sevati toplote, saj je nemogoče ubežati njeni gravitaciji. Odločen je bil, da bo Bekensteinov koncept raztrgal na prafaktorje. Namesto tega je odkril natančno formulo matematičnega razmerja med entropijo in horizontom črne luknje ter potrdil Bekensteinov koncept. Tako imenovano Hawkingovo sevanje je postalo in ostalo njegovo največje odkritje. 

Hawkingovo sevanje 

Hawking je sprejel, da termodinamika deluje tudi v črnih luknjah, in razmišljal, da ima vse, kar ima entropijo, tudi temperaturo, vse, kar ima temperaturo, pa lahko seva. S tem je spoznal izvorno napako, ki jo je storil, ker je upošteval izključno splošno relativnost, ki pravi, da nič – niti delec niti toplota – ne more uiti oprijemu črne luknje. 
Omenjeni zakon preneha veljati, ko v igro vstopi kvantna mehanika, v skladu s katero se minljivi pari delcev in antidelcev neprestano pojavljajo iz praznega prostora, nato pa se v trenutku izničijo in izginejo. Ko se to zgodi v bližini horizonta dogodkov, se lahko par delca in antidelca loči – eden pade za horizont, drugi pa pobegne, kar pomeni, da se ne moreta nikoli srečati in uničiti. Osiroteli delci od roba črne luknje potujejo kot sevanje. 

»Prepričan sem, da bi se večina fizikov strinjala, da je Hawkingov največji prispevek napoved, da črne luknje sevajo. Čeprav še vedno nimamo eksperimentalne potrditve, da je Hawkingova napoved resnična, večina strokovnjakov verjame, da je imel prav,« je dejal Sean Carroll, teoretični fizik s kalifornijskega tehnološkega inštituta. Sam Hawking je priznal, da ga je to stalo Nobelove nagrade. Zadovoljiti se je moral s tem, da bodo kvantni delci, ki se pretakajo z roba črne luknje, vedno znani kot Hawkingovo sevanje. 

»Entropija črne luknje se imenuje Bekenstein-Hawkingova entropijska enačba, kar se mi zdi pošteno, saj sem jo zapisal prvi, Hawking pa je odkril numerično vrednost konstante, kar pomeni, da sva skupaj odkrila formulo, kot jo poznamo danes. Kar se tiče sevanja, gre v celoti za Hawkingovo delo. Sam nisem imel pojma, kako bi lahko črna luknja sevala, zato je to izključno njegova zasluga,« je Bekenstein zavrnil idejo, da bi morali Hawkingovo sevanje v resnici imenovati Bekenstein-Hawkingovo sevanje. 

V skladu s Hawkingovo željo bodo prav Bekenstein-Hawkingovo entropijsko enačbo vgravirali na njegov nagrobni spomenik, saj po njegovem mnenju pomeni enkratno mešanico različnih disciplin fizike; vsebuje Newtonovo konstanto, ki nastopa v splošnem gravitacijskem zakonu, konstanto nemškega teoretičnega fizika Maksa Plancka, ki se pojavlja v enačbah kvantne fizike, hitrost svetlobe, ki je v osrčju Einsteinove teorije relativnosti, ter Boltzmanovo konstanto, ki povezuje temperaturo z energijo in je temelj termodinamike. 
Prisotnost vseh teh konstant namiguje na teorijo vsega, ki bi združila vso fiziko in potrdila Hawkingovo vero v to, da so prav črne luknje ključne za odkritje globlje resnice. 

Teorija vsega in Hawkingov paradoks

Hawkingovo sevanje je resda rešilo problem entropije, a se je z njim odprl še trši oreh: Če črne luknje dejansko sevajo, bodo ščasoma izhlapele in izginile? Kaj se zgodi z informacijo, ki pade vanje? Ali prav tako izgine? Če to drži, potem ne drži osnovno načelo kvantne mehanike. Po drugi strani, če se informacije lahko vrnejo iz črne luknje, potem je vprašljiva Einsteinova teorija relativnosti. 
Z odkritjem, da črne luknje sevajo, je Hawking drugega proti drugemu postavil temeljne zakone fizike. Rojen je bil paradoks v črni luknji izgubljene informacije, ki je znan preprosto kot – Hawkingov paradoks. 

Sprva je Hawking verjel, da se vsa informacija izgubi skupaj s črno luknjo, leta 2004 pa se je premislil. Na konferenci v Dublinu je dramatično izjavil, da črne luknje ne morejo izgubiti informacij. O tem vprašanju med fiziki še zdaj ni enotnega mnenja. 

»Hawkingova največja zapuščina je, da je pokazal na največjo težavo pri iskanju teorije vsega,« je Raphael Bousso s kalifornijske univerze Berkeley izjavil za revijo New Science, kjer sicer v naslovu izpostavljajo, da je Hawkingova največja zapuščina Hawkingov paradoks. 

»Z odkritjem, da črne luknje sevajo, je Hawking drugega proti drugemu postavil temeljne zakone fizike. Rojen je bil paradoks izgube informacij v črni luknji. Številne polemike okoli Hawkingovega paradoksa kažejo, kako pomembno je bilo v resnici njegovo delo,« je jasen Bousso. 

Več v aprilski Gei (2018)

  • Dodaj na Twitter
  • Dodaj na MySpace
  • Dodaj na Delicious

Mladinska knjiga Založba d.d.
Slovenska 29
1000 Ljubljana

E-naslov: info@mladinska.com
Telefon: 01 241 30 00

Postanimo prijatelji!

slika slika slika
  

(c) Mladinska knjiga, vse materialne pravice so last Mladinske knjige.