Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

W latach 80-tych Stephen Hawking został „bohaterem nauki” i być może najbardziej wpływowym popularyzatorem, jakiego miała nauka o Wszechświecie. Jego słynna Krótka historia czasu rozeszła się do dziś w ponad 10 milionach egzemplarzy (teraz pewnie ta liczba się podwoi – taki los umierających autorów). W ostatnich latach coraz więcej można było przeczytać o jego śmiałych tezach dotyczących końca ludzkości, Obcych i Boga. Jego paradoksalna postać: wspaniały umysł zamknięty w obezwładnionym chorobą ciele, stała się pierwszorzędnym bohaterem popkultury.

Skoro jednak to wszystko wiemy, zostawmy to w spokoju i spójrzmy na człowieka, który stawał się dopiero Hawkingiem – śmiałego naukowca, który postawił kilka kamieni milowych w rozwoju fizyki teoretycznej i astrofizyki. Badacza, który potrafił się też mylić i ze swoich błędów wyciągać konsekwencje.

Młody naukowiec

Kariera naukowa Hawkinga rozpoczęła się w 1962 roku, kiedy przybył do Cambridge (studiował wcześniej na Uniwersytecie w Oksfordzie), aby rozpocząć doktorat z astrofizyki. Jak się potem okazało, był to rok, który zdecydował o całym jego życiu, także tym pozanaukowym, ponieważ w tym samym roku zdiagnozowano u niego stwardnienie zanikowe boczne, które tak fatalnie miało obejść się z jego ciałem.

Początek naukowy też nie był dla niego łatwy, ale te trudności miały mu wyjść na dobre. Na Uniwersytecie w Cambridge najjaśniej świeciła wówczas jedna gwiazda – Fred Hoyle, być może najważniejszych astrofizyk tamtych czasów w ogóle. Hoyle był twórcą teorii panspermii, zakładającej że życie jest w Kosmosie czymś powszechnym, wędruje między ciałami niebieskimi na przykład przez meteoryty i w ten sposób dotarło też do Ziemi. Jego badania przyniosły duży wkład w aktualny stan wiedzy o ewolucji gwiazd i o tym, czym jest materia międzygwiezdna. Nie ma się więc co dziwić, że także Hawking chciał zostać jego uczeniem. Niestety, jak się okazało, wszystkie miejsca na jego seminarium były już zajęte i uznany, ale też zapracowany naukowiec nie chciał zrobić wyjątku dla oksfordczyka. Być może wyszło to Hawkingowi na dobre, bo Hoyle był znany jako największy przeciwnik Teorii Wielkiego Wybuchu, która swoją nazwę (ang. Big Bang Theory) zawdzięcza właśnie jego ironicznemu komentarzowi.

Wielki Wybuch i osobliwości

Ostatecznie opiekunem Hawkinga został Dennis Sciama, który miał dla swojego ucznia znacznie więcej czasu i znacznie większą wagę przyłożył do – pierwszorzędnej w dalszych pracach Hawkinga – matematyki. Także dzięki Sciamie młody badacz zapoznał się z teorią osobliwości autorstwa Rogera Penrose'a, opartą na ogólnej teorii względności Einsteina.

Osobliwość, w najprostszych słowach, to miejsce we Wszechświecie, w którym jego prawa dotyczące czasu i przestrzeni przestają działać. Penrose, rozwijając tezy Einsteina, dowodził, że osobliwości znajdują się w centrum każdej czarnej dziury. Hawking rozwinął tę teorię, za pomocą przede wszystkim intensywnej pracy matematycznej (czym innym jest fizyka teoretyczna, jeśli nie matematyką?). W oparciu o ogólną teorię względności pokazał, że osobliwość jest w czasoprzestrzeni czymś naturalnym i pierwotnym – konkluzją jego pracy było stwierdzenie, że Wszechświat zaczął się w osobliwości. 

Kwantowa korekcja ogólnej teorii względności?

Einsteinowi nigdy nie było po drodze z mechaniką kwantową (choć po części przyczynił się do jej powstania). Za pewne dlatego opisana w 1916 roku ogólna teoria względności wyraźnie nie współgra ze stworzoną 9 lat później teorią. Hawking w pewnym momencie zrozumiał, że połączenie tego, co największe i tego, co najmniejsze jest niezbędnym kolejnym krokiem na drodze do największego marzenia nauki – teorii wszystkiego. Jak widać Hawking nie zwykł mierzyć nisko.

Mechanika kwantowa jest paradygmatyczną dziś teorią dotyczącą materii w jej najmniejszym wymiarze. Jej rola zaczyna się tam, gdzie klasyczna mechanika już się nie sprawdza. W latach 70-tych była mniej więcej tak samo ważnym i burzliwym tematem, jak teoria czarnych dziur. Hawking zaproponował więc i dowodził – opierając się na teorii osobliwości – że to, co się dzieje we wnętrzu czarnej dziury nie wskazuje na złamanie zasad czasu i przestrzeni, ale wskazuje na… potrzebę pogłębionych badań w zakresie mechaniki kwantowej. 

Najtrudniejszym problemem do przejścia w takiej koncepcji osobliwości jest druga zasada termodynamiki, która zakłada entropię materii – świat zmienia się „w jednym kierunku” i nie wraca do swojego poprzedniego stanu. Jeśli to prawo byłoby przełamane, konsekwencje byłyby niewyobrażalne.

Horyzont zdarzeń

Rozwiązanie pojawiło się w sposób, który najbardziej zaskoczył samego Hawkinga. Podczas pewnego letniego obozu fizyków w 1972 roku Hawking zapoznał się z koncepcją entropii mierzonej przez horyzont zdarzeń, którą Jacob Bekenstein wyprowadzał z prac samego Hawkinga, ku oburzeniu tego ostatniego.

Horyzont zdarzeń to granica, za którą zaczyna się właściwa czarna dziura – grawitacja jest już tam tak wielka, że nic nie może wrócić z jej wnętrza. Bekensteina w oparciu o koncepcje Hawkinga pokazywał, że horyzont zdarzeń nigdy się nie zmniejsza i w istocie on sam jest miarą entropii materii. To by w konsewencji oznaczało, że czarna dziura emituje jakąś energię. Hawkinga oburzyły takie wnioski z jego prac, więc zaraz po powrocie do Cambridge rozpoczął intensywna pracę matematyczną nad obaleniem tej teorii. Lecz zamiast tego... wyprowadził jej najlepszy dowód: matematyczny opis relacji między entropią a horyzontem zdarzeń.

W ten sposób, w oparciu o własne pomyłki, dokonał swojego najważniejszego odkrycia. Wbrew ogólnej teorii względności Hawking dowiódł, że jednak coś wydobywa się z czarnej dziury, ale żeby to pojąć niezbędna jest mechanika kwantowa. Według mechaniki kwantowej pary cząsteczek i antycząstek nieustannie pojawiają się z pustej przestrzeni, tylko po to, by zniknąć w mgnieniu oka. Kiedy dzieje się to w pobliżu horyzontu zdarzeń, para cząstek i antycząstek może zostać rozdzielona – jedna spada za horyzont, podczas gdy druga ucieka, niezdolna do samounicestwienia. Rozłączone cząstki oddzielają się od krawędzi czarnej dziury jako promieniowanie.