Pojasnil stanje, v katerem sta čas in prostor neločljiva

 Komaj kdo je storil toliko za popularizacijo astrofizike, kozmologije, fizike in astronomije kot znameniti britanski fizik Stephen Hawking
Objavljeno
23. marec 2018 12.41
Tomaž Zwitter, Andrej Čadež
Tomaž Zwitter, Andrej Čadež
V sredo, 14. marca, torej na dan števila pi in natanko 139 let po rojstvu Alberta Einsteina, je v starosti 76 let umrl Stephen Hawking, eden najpomembnejših, gotovo pa najbolj znani teoretski fizik, ki je črne luknje in nastanek vesolja približal javnosti.

Omenjena numerična sovpadanja so nepomembna, saj bi nekaj podobnega lahko našli za skoraj vsak dan v letu. Ni pa nepomembno, da je Hawking po diagnozi neozdravljive degenerativne bolezni gibalnih nevronov pri 21 letih živel še 55 let in ne dve ali tri, kot so mu na začetku napovedali. Bolezen je sicer počasi, a neustavljivo napredovala. Najprej je moral hoditi s palico, nato je bil priklenjen na voziček, sčasoma je izgubil dar govora, na koncu je s svetom lahko komuniciral le s premikanjem oči in eno od mišic na licu ter tako izbiral črke in besede, ki jih je namesto njega prebral sintetizator govora.

Prispodoba izjemnega uma, omejenega s telesom, je fascinirala javnost. Hawking pa je kljub okoliščinam ostal neverjetno veder in pozitiven. Znan je bil po pronicljivem humorju in po svojih divjih vožnjah z vozičkom, v katerih je kakšnemu nepozornemu študentu rad zapeljal čez prste.

Ko sesutje zvezde rodi horizont

Pisati o velikanih ni lahko, k sreči so v zadnjih dneh svoje misli zapisali številni Hawkingovi sopotniki. Tu se bomo delno oprli na zapis Rogerja Penrosa v Guardianu, ki ga širša javnost ali obiskovalci naše fakultetne kavarne poznajo po Penrosovem vzorcu, ki z dvema mnogokotnikoma neperiodično pokrije ravnino. Penrosa in Hawkinga je spoznal Hawkingov doktorski mentor na Cambridgeu Dennis Sciama, eden očetov sodobne kozmologije. Takrat, v 60. letih, so bile črne luknje sicer znana matematična posledica Einsteinove splošne teorije relativnosti, vendar je bil obstoj singularnosti in horizonta dokazan le v idealiziranem krogelno simetričnem primeru.

Hawking je z uporabo Penrosovega izreka pokazal, da to velja precej bolj splošno in da poljubno sesutje vrteče se masivne zvezde rodi osno simetričen horizont. Nobelovec in indijski teoretični fizik Subrahmanyan Chandrasekhar je pripomnil, da so črne luknje najpopolnejši makroskopski objekti v vesolju, saj je zanje pomemben le prostor in čas, hkrati pa so tudi najpreprostejši, saj jih lahko natančno opišemo z znano geometrijo. Podobne tehnike je Hawking nato z obratom časa uporabil tudi za singularnost ob začetku vesolja in pokazal, da veliki pok ni le lastnost simetričnih kozmoloških modelov, ampak velja tudi za smiselne asimetrične scenarije.

Hawking-Bekensteinovo sevanje

Leta 1972 je bil Hawking predavatelj na letni šoli Les Houches v Franciji, kjer je bil med udeleženci tudi sveži doktor znanosti Jacob Bekenstein. Ta je v svoji doktorski disertaciji razmišljal o povezavi kvantne mehanike in črnih lukenj. Prišel je do zaključka, da mora tako povezavo pripisati črnim luknjam temperaturo in stopnjo neurejenosti – entropijo.

Ta zaključek je bil v nasprotju s Hawkingovim leto prej objavljenim teoremom, ki pravi, da lahko površina črne luknje samo narašča. Hawking je v enem letu premagal samega sebe in s strogim matematičnim formalizmom nedvoumno potrdil Bekensteinove napovedi ter dodal natančne vrednosti faktorjev, ki nastopajo v enačbah. Sevanje črnih lukenj, ki je posledica njihove temperature, se danes zato imenuje Hawkingovo ali Hawking-Bekensteinovo sevanje.

Za običajne luknje z masami, podobnimi zvezdam, je bil rezultat praktično nepomemben. V članku »Eksplozije črnih lukenj?«, ki ga je leta 1974 objavil v reviji Nature, je Hawking pokazal, da bi črna luknja z maso Sonca izhlapela šele v trikrat 10 na potenco 63 letih, kar je mnogo mnogo več od starosti vesolja samega. Vendar ta čas pada s kubom mase črne luknje. Tako bi črna luknja z maso milijarde ton, ki bi nastala v zgodnjem vesolju, do danes že izhlapela. V zadnji desetinki sekunde bi dosegla izsev stotinke našega Sonca.

Kot komentira Hawking, je to za astronomske standarde zelo skromna eksplozija, ki jim je do zdaj še ni uspelo eksperimentalno potrditi. Hawkingovo sevanje torej ni pomembno zaradi praktične uporabe, ampak je njegova obravnava pokazala pot za spopadanje z osnovnimi izzivi sodobne fizike in kozmologije, ki želi združiti koncepte relativnosti, kvantne mehanike in termodinamike v celovito predstavo o svetu, vesolju, ki se nenehno spreminja in v katerem niti črne luknje niso večne.

Razumevanje iskal v kvantni naravi gravitacije

V naslednjih letih je Hawking iskal razumevanje za nenehno spreminjanje vesolja v kvantni naravi gravitacije. Povezava gravitacije in kvantne mehanike je najizrazitejša v delih prostora, kjer je gravitacija najmočnejša, to je v črnih luknjah ali ob samem začetku vesolja. To so področja prostora in časa, ki jih imenujemo singularna, ker našim meritvam še niso dosegljiva, a s Hawkingom verjamemo, da prav iz njih izhajajo zakoni, ki uravnavajo svet okrog nas.

Fizikalni opis singularnosti v prostoru in času je eno najtežavnejših in najbolj zanimivih problemov sodobne fizike. Zdelo se je, da so singularna področja nekakšne meje prostora in časa, na katerih ta preneha obstajati. Hawking je skupaj z Jamesom Hartlom pokazal, da se z upoštevanjem zakonov kvantne mehanike singularnost nastanka vesolja spremeni iz meje v stanje, v katerem sta čas in prostor praktično neločljiva. Njuni vlogi, ki ju zdaj pripisujemo času in prostoru, se izkristalizirata šele z razvojem vesolja.

Kratka zgodovina časa – velika uspešnica

Leta 1984 je Hawking sklenil, da se bo preizkusil še na enem področju, to je v popularizaciji znanosti. Takrat je tudi potreboval denar, saj je njegovo vse slabše zdravje zahtevalo velike izdatke. Po brušenju besedila, kjer je urednik Peter Guzzardi iz založbe Batham na precejšnje Hawkingovo vznemirjenje vztrajal pri netehničnih razlagah, je leta 1988 izšla knjiga z naslovom Kratka zgodovina časa. Doživela je izjemen uspeh, kar 237 tednov je bila na seznamu najbolje prodajanih knjig Sunday Timesa.

Vzrokov za uspeh je več. Hawking je seveda vedel, kaj piše, saj je to raziskoval, genialen pa je že naslov knjige. Pri tem ga je bolezen silila v veščino jasnega izražanja. Bralec dobi vtis, da stvari lahko razume, in to je v sedanjem svetu, kjer nam le sposobnost lastne presoje omogoča ločiti resnico od laži in manipulacij, odločilno.

Seveda je knjiga gradila na nekaterih že prej znanih primerjavah. Pri tem si dovolimo citirati misli prof. dr. Janeza Strnada: »Kritični bralec se včasih vpraša, ali se ne pusti predaleč zapeljati iskrivi misli ... Bralce bi bilo smiselno opozoriti, da nekatere slike kažejo le prispodobe. Po drugi strani pa to spodbudi bralčevo domišljijo in včasih tudi željo, da se o zadevi podrobneje pouči. Vsekakor je komaj še kdo storil toliko za popularizacijo astrofizike, kozmologije, fizike in astronomije kot Hawking.«

Nekaj misli Stephena Hawkinga

Na možgane gledam kot na računalnik, ki se ustavi, ko se pokvari. Za pokvarjene računalnike ni nebes ali posmrtnega življenja – to so zgodbe za ljudi, ki se bojijo teme.



Glej navzgor proti zvezdam in ne navzdol k nogam. Poskušaj razumeti, kar vidiš, in razmišljaj, kako deluje vesolje. Bodi radoveden. Kljub težavam v življenju je vedno nekaj, kar lahko narediš in kar ti lahko uspe. Pomembno je, da ne odnehaš.



Življenje bi bilo tragično, če ne bi bilo zabavno.



Moja pričakovanja pri 21 letih so bila enaka ničli. Vse za tem je zame le bonus.



Ljudje, ki se hvalijo s svojim IQ, so zgube.



Smo le napredna vrsta opic na majhnem planetu blizu povprečne zvezde. A lahko razumemo vesolje. Zato smo nekaj zelo posebnega.