Hawking wybitnym naukowcem był
Rozmowa z prof. dr. hab. Markiem Biesiadą z Zakładu Astrofizyki i Kosmologii w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Śląskiego.
14 marca 2018 roku zmarł Stephen Hawking, znany na całym świecie brytyjski astrofizyk, kosmolog, fizyk teoretyk, popularyzator astrofizyki i kosmologii, autor nie tylko ważnych publikacji naukowych, ale również książek popularnonaukowych. Jego Krótka historia czasu (ang. A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes) wydana w USA w 1988 roku, a w Polsce w 1990 stała się światowym bestsellerem. W swoich dociekaniach naukowych poświęcał się głównie badaniom czarnych dziur i grawitacji kwantowej. Wspólnie z Rogerem Penrose’em opracował twierdzenia odnoszące się do istnienia osobliwości w ramach ogólnej teorii względności oraz teoretyczny dowód na to, że czarne dziury powinny emitować promieniowanie, znane dziś jako promieniowanie Hawkinga. Naukowiec przez znaczną część życia cierpiał na stwardnienie zanikowe boczne, którego postęp spowodował paraliż większości ciała. Był najdłużej żyjącym człowiekiem z tym schorzeniem na świecie.
Panie Profesorze, czy Stephen Hawking był wybitnym naukowcem?
– Tak. W moim najgłębszym przekonaniu był. Co prawda ostatnie dekady jego życia wykreowały go bardziej na celebrytę, ale do swoich ostatnich chwil publikował i wypowiadał się na ważne z punktu widzenia naukowego tematy. Był jednym z najwybitniejszych relatywistów kontynuujących myśl Einsteina. Zresztą nie tylko Stephen Hawking, ale również kilku jego kolegów ze studiów – mam tu na myśli np. Rogera Penrose’a, George’a Ellisa czy Brandona Cartera – zapisało się złotymi zgłoskami w historii nauki. To wielkie osobowości. Wnieśli ogromny wkład w nasze zrozumienie ogólnej teorii względności, a szczególnie w kontekście pogodzenia teorii grawitacji Einsteina, która jest teorią klasyczną, z mechaniką kwantową. Był to więc temat, którym zajął się Stephen Hawking.
Jak zaczęła się przygoda Hawkinga z astrofizyką i kosmologią?
– Jako wybitny naukowiec objawił się już w latach 70. XX wieku pracami dotyczącymi klasycznej teorii względności. Udowodnił razem z Penrose’em słynne twierdzenie o osobliwościach, które mówi, że osobliwości, czyli takie obszary czasoprzestrzeni, w których nieuchronnie urywają się historie obserwatorów, są czymś typowym. Do tamtej pory uważano, że znana wcześniej kosmologiczna osobliwość pierwotna jest konsekwencją silnych założeń jednorodności i izotropii Wszechświata nakładanych w myśl zasady kopernikańskiej. Wydawało się, że początkowa osobliwość Wielkiego Wybuchu jest czymś nietypowym w ogólnej teorii względności. Twierdzenie Penrose’a-Hawkinga pokazało, że jest wręcz odwrotnie. Już samo to osiągnięcie może być wystarczającym powodem wpisania się na trwałe w kanony fizyki. Następnym zagadnieniem, którym zajął się Hawking, była fizyka czarnych dziur. Najważniejszym wynikiem Hawkinga stało się odkrycie, że czarne dziury emitują promieniowanie, nazwane później promieniowaniem Hawkinga. Klasycznie czarna dziura to obiekt otoczony horyzontem zdarzeń, czyli powierzchnią, spod której nie może się wydostać żadna cząstka, nawet światło. Pełna informacja o czarnej dziurze jest zawarta w kilku makroskopowych wielkościach jak masa, moment pędu czy ładunek. Nieco wcześniej Jacob Bekenstein zauważył, że własności horyzontu zdarzeń czarnej dziury przejawiają zdumiewające analogie z trzema zasadami termodynamiki, przy czym wielkością analogiczną do entropii byłaby powierzchnia horyzontu zdarzeń. Z kolei posiadanie entropii oznaczałoby, że czarna dziura ma temperaturę czyli powinna promieniować jak ciało doskonale czarne. To wydawało się paradoksalne, trudne do zrozumienia klasycznie: czy to jest tylko analogia, czy coś więcej? Po Bekensteinie tym problemem zajęła się grupa Hawking – Penrose – Carter i narodziła się koncepcja parowania czarnych dziur. W świecie kwantowym próżnia jest morzem wirtualnych cząstek i przy odpowiednich warunkach zasada nieoznaczoności Heisenberga pozwala na spontaniczną kreację pary cząstka – antycząstka i jeśli przebiegałoby to blisko horyzontu zdarzeń, jedna z nich mogłaby wpaść pod horyzont, a druga odlecieć. Gdyby ta ulatująca cząstka napotkała w kwantowej próżni w pobliżu horyzontu swą antycząstkę, uległaby anihilacji, wysyłając foton. To jest istota promieniowania Hawkinga. Zatem czarne dziury wcale nie są takie czarne, lecz świecą. Niestety, energia fotonów jest odwrotnie proporcjonalna do masy obiektu, a więc masywne czarne dziury wysyłają tak niskoenergetyczne fotony, że nie mamy szansy ich zaobserwować. Jest to jednak proces nieuchronnie prowadzący do utraty energii, a więc do zmniejszania się masy obiektu. Gdyby masa czarnej dziury była bardzo mała – a teoretycznie nie ma ograniczeń dolnych na masę czarnych dziur – to takie maleństwa wyświecałyby promieniowanie wysokoenergetyczne, rentgenowskie czy gamma, a także szybciej by odparowywały. Według Hawkinga w ostatnich stadiach ewolucji parujących czarnych dziur wystrzelałby błysk promieniowania gamma. Poszukiwanie zapisów takiego rodzaju promieniowania jest celem wielu misji kosmicznych badających Wszechświat wysokich energii.
Kolejnym okresem w pracy naukowej Hawkinga było zajęcie się kwantową grawitacją?
To był okres, który pamiętam najlepiej, bo byłem wówczas w grupie skupionej wokół ks. prof. Michała Hellera i zaczytywaliśmy się w pracy Stephena Hawkinga i Jima Hartle’a Wave Function of the Universe (Funkcja falowa Wszechświata). Była to propozycja kwantowego wyjaśnienia początku Wszechświata, a Stephen Hawking podjął próbę skwantowania modelu kosmologicznego, wykorzystując podaną przez Richarda Feynmana metodę całek po trajektoriach. Wydawało się, że jest to właściwa droga poszukiwań kwantowej grawitacji, ale jak dotąd nie okazała się tak płodna, jak przewidywał Hawking, chociaż zawsze była mu bliska, bo do tych pomysłów wracał w wielu swoich wystąpieniach i wykładach.
A później wrócił do problemu czarnych dziur…
– I do tzw. paradoksu informacyjnego czarnych dziur. Niemożność wydostania się spod horyzontu zdarzeń oznacza, że w czarnej dziurze zatraca się cała informacja o materii, która do niej wpadła. Wydaje się to sprzeczne z mechaniką kwantową. W ten sposób rodzi się paradoks, jak naprawdę jest z informacją na poziomie fundamentalnym: czy ona jest tracona, czy nie jest? Debata na ten temat skłoniła Gerardusa ’t Hoofta do wysunięcia hipotezy holograficznej, w myśl której cała fizyka jest zapisana na dwuwymiarowej powierzchni horyzontu zdarzeń jak na hologramie. Hawking z kolei doszedł do wniosku, że cząstki wpadające pod horyzont zostawiają w nim ślad, a informacja zapisana w formie hologramu zabierana jest z horyzontu przez promieniowanie Hawkinga. Proces powoduje jednak, że informacji początkowej nie da się odczytać, podobnie jak spalonej encyklopedii.
Dwa tygodnie przed śmiercią Stephen Hawking przedłożył do druku swoją ostatnią pracę naukową (a dokładnie jest jej współautorem) dotyczącą wszechświatów równoległych. Artykuł zatytułowany jest A Smooth Exit from Eternal Inflation (Płynne wyjście z wiecznej inflacji). Prawdopodobnie w pracy przedstawiono matematykę niezbędną do przeprowadzenia testów w ramach tzw. misji deep-space, które mogłyby udowodnić istnienie innych wszechświatów. Artykuł zakłada, że dowody na istnienie multiwersum (wieloświatów) powinny być mierzalne w promieniowaniu tła. To z kolei może być zmierzone przez odpowiednie sensory. Thomas Hertog, profesor fizyki, który jest współautorem pracy, powiedział, że artykuł ma na celu „przekształcenie idei wieloświatów w sprawdzalną strukturę naukową”. Wieloświaty to chyba jakiś nowy wątek w zainteresowaniach naukowych Hawkinga?
– Taki artykuł to na pewno ciekawy wątek w działalności naukowej Hawkinga. Z jednej strony jest nieco odległy od tego, czym się zajmował. Z drugiej – nie dziwi ze względu na rozwój kosmologii i jej największych wyzwań. Z tych wyzwań wyróżnia się problem inflacji wczesnego Wszechświata. Skądinąd to bardzo elegancka hipoteza, która rozwiązała wiele problemów koncepcyjnych Wielkiego Wybuchu. Zakłada ona, że wczesny Wszechświat przeżył inflację, czyli przeszedł przez fazę wykładniczego tempa rozszerzania się. Idea inflacji pojawiła się prawie jednoczasowo z teorią Higgsa o nadawaniu mas cząstkom i podobnie jak teoria Higgsa opierała się na hipotezie pola skalarnego tzw. inflatonu, które powoduje szybką ekspansję bardzo wczesnego Wszechświata, a potem kreuje materię. Jeszcze nie jest poznane w detalach, jak materia rodzi się z inflatonu i skąd się wzięła asymetria między materią i antymaterią – to wciąż wielkie znaki zapytania. Koniec epoki inflacji nie jest dokładnie znany, w późniejszych etapach nastąpiła pierwotna nukleosynteza, potem od materii oddzieliło się promieniowanie reliktowe, które jest zapisem stanu Wszechświata, gdy miał on 380 tys. lat. Chcemy jednak zajrzeć w niewyobrażalnie wczesny moment, 10-40 sekundy, kiedy rodzi się inflacja. I tutaj pojawia się koncepcja wypracowana przez fizyków cząstek elementarnych, że z inflatonu mogły lokalnie bąblować czy pączkować różne wszechświaty, czyli tworzyć multiwersum. Ta idea miała różne ścieżki rozwoju, jej autorem był Andrei Linde, który nazwał ją eternal infation (wieczna inflacja). Hipoteza multiwersum, czyli równoległych wszechświatów, zakłada, że nasz Wszechświat wypączkował z jednego bąbla pola inflatonowego, ale w tym polu inflatonowym mogły wypączkować również inne wszechświaty. Teoria ta rodzi oczywiście masę innych pytań, np. czy stałe fundamentalne w innych wszechświatach mają takie same wartości czy nie? Gdyby udało się wejrzeć w ten najwcześniejszy etap rozwoju Wszechświata od samego początku do 380 tys. lat, byłby to wielki przełom w historii ludzkości, bez względu na to, jaki wynik by przyniósł.
Stephen Hawking stał się ikoną popkultury. To raczej niezwykły przypadek, kiedy celebrytą zostaje naukowiec, bo zazwyczaj jest to gwiazda ekranu czy estrady. Wystąpił w wielu filmach, grając zresztą samego siebie, np. w serialu komediowym The Big Bang Theory. Jego głos (oczywiście z syntezatora mowy) znalazł się w utworach zespołu Pink Floyd, a postać trafiła do kreskówki o Simpsonach. Przy tym miał duże poczucie humoru i wielki dystans do siebie. Czy choroba mogła mieć wpływ na jego postrzeganie świata i Wszechświata, na tematykę prowadzonych badań, a nawet jego światopogląd?
– Trudno sobie wyobrazić, żeby nie miała wpływu. Fascynujące w osobie Stephena Hawkinga jest jednak to, że nie poddał się chorobie. Wiele osób choroba doprowadza przecież do skrajnych depresji i zaniechania aktywności czy rozwoju. On podążał drogą przygody intelektualnej. Myślę, że to jest jeden z ważniejszych czynników, które uczyniły go takim celebrytą – siła charakteru i sposób zareagowania na niepełnosprawność.
Co po Hawkingu?
– Fizyka teoretyczna, astrofizyka czy kosmologia dawno zaczęły toczyć się innym torem niezwiązanym z jego osobą, ale oczywiście po Hawkingu pozostanie pustka. Nauka będzie jednak szła swoją drogą, tak jak szła po śmierci Einsteina. Jest jeszcze sporo pytań, na które ludzkość będzie poszukiwała odpowiedzi, już sam Hawking wskazał kierunek w swojej ostatniej pracy, pisząc o teorii wieloświatów. Jest sporo niewiadomych – na pewno natura przyspieszającej ekspansji Wszechświata, ciemna energia, ciemna materia, inflacja. To są wielkie wyzwania. Poznanie, natury tych nieznanych składników Wszechświata, co nas czeka, dokąd zmierza Wszechświat – to wszystko pytania niosące silny ładunek światopoglądowy i dlatego mają wielkie znaczenie dla ludzkości.
Bardzo dziękuję za rozmowę.
Rozmawiała Agnieszka Sikora
Wywiad ukazał się drukiem w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [#7 (257) kwiecień 2018]
