Dowiedz się więcej o jednym z filarów nauki w tym krótkim wpisie na blogu.
Jaka była historia Stephena Hawkinga?
Stephen Hawking to światowej sławy brytyjski fizyk teoretyczny, znany ze swojego wkładu w dziedziny kosmologii, ogólnej teorii względności i grawitacji kwantowej, szczególnie w kontekście czarnych dziur. W latach 60. i 70. pracował nad przełomowymi twierdzeniami dotyczącymi osobliwości w ogólnej teorii względności i dokonał teoretycznego przewidywania, że czarne dziury powinny emitować promieniowanie (obecnie znane jako promieniowanie Hawkinga). Opublikował również kilka książek popularnonaukowych, w których omawia własne teorie i ogólnie kosmologię, w tym bestsellerową „Krótką historię czasu”, i jest uważany za jeden z największych umysłów w fizyce od czasów Alberta Einsteina. Jak sam mówi: „Mój cel jest prosty. Jest nim całkowite zrozumienie wszechświata, dlaczego jest taki, jaki jest i dlaczego w ogóle istnieje.”
Stephen William Hawking urodził się 8 stycznia 1942 r. w Oksfordzie w Anglii, w samym środku II wojny światowej. Po jego narodzinach we względnym bezpieczeństwie Oksfordu, rodzina wróciła do Londynu, gdzie jego ojciec prowadził dział parazytologii Narodowego Instytutu Badań Medycznych, pomimo ciągłego ryzyka bombardowania przez niemieckie siły powietrzne. W 1950 roku Hawking przeprowadził się z rodziną do St. Albans, gdzie uczęszczał do St. Albans High School for Girls w latach 1950-1953 (chłopcy mogli uczęszczać do 10 roku życia), a od 11 roku życia uczęszczał do St. Albans School, gdzie był dobrym, choć nie wybitnym uczniem.
W 1959 roku wygrał stypendium do University College w Oksfordzie, dawnej uczelni swojego ojca, gdzie studiował fizykę pod kierunkiem Roberta Bermana (głównie dlatego, że jego preferencje, matematyka, nie były tam oferowane) i gdzie szczególnie zainteresował się termodynamiką, względnością i mechaniką kwantową. Pomimo jego czasami niedbałych nawyków i znudzenia życiem uniwersyteckim, ukończył studia w 1962 roku z dyplomem pierwszej klasy.
Po ukończeniu studiów spędził krótki czas badając plamy słoneczne w Obserwatorium Uniwersytetu Oksfordzkiego. Wkrótce jednak zdał sobie sprawę, że bardziej interesuje go teoria niż obserwacja i opuścił Oxford na rzecz Trinity Hall w Cambridge, gdzie przez pewien czas studiował pod kierunkiem Freda Hoyle’a, najwybitniejszego angielskiego astronoma tamtych czasów.
Krótko po przybyciu do Cambridge, w wieku 21 lat, u Hawkinga zaczęły pojawiać się pierwsze objawy stwardnienia zanikowego bocznego (ALS lub „choroby Lou Gehriga”), rodzaju choroby neuronów ruchowych, która ostatecznie spowodowała utratę prawie całej kontroli nerwowo-mięśniowej. Chociaż lekarze przewidywali (błędnie), że Hawking nie przeżyje więcej niż dwa lub trzy lata, stopniowo tracił on władzę w rękach, nogach i głosie, aż stał się prawie całkowicie sparaliżowany i czterokończynowy.
W 1965 r. uczestniczył w wykładzie angielskiego matematyka Rogera Penrose’a, który właśnie opublikował rewolucyjny artykuł na temat osobliwości czasoprzestrzennych (zdarzeń, w których prawa fizyki wydają się załamywać). Hawking odzyskał energię i z nową energią zaangażował się w badanie astronomii teoretycznej i kosmologii, w szczególności w dziedzinie czarnych dziur i osobliwości. Później współpracował z Penrose’em nad kilkoma ważnymi artykułami na te tematy.
Kolejny punkt zwrotny w jego życiu nastąpił również w 1965 roku, wraz z jego małżeństwem ze studentką języka, Jane Wilde. Z jej pomocą i pomocą swojego opiekuna doktoratu, Dennisa Sciamy, Hawking ukończył doktorat i został pracownikiem naukowym, a następnie profesorem w Gonville and Caius College w Cambridge.
W 1968 roku dołączył do personelu Instytutu Astronomii w Cambridge, gdzie pozostał do 1973 roku i zaczął stosować prawa termodynamiki do czarnych dziur przy użyciu bardzo złożonej matematyki. Pod koniec lat 60. wraz ze swoim przyjacielem i kolegą z Cambridge, Rogerem Penrose’em, zastosowali nowy złożony model matematyczny, który stworzyli w oparciu o ogólną teorię względności Alberta Einsteina, co doprowadziło Hawkinga do udowodnienia pierwszego z wielu twierdzeń o osobliwościach w 1970 roku. Twierdzenie to dostarczyło zestawu wystarczających warunków dla istnienia osobliwości w czasoprzestrzeni, a także sugerowało, że przestrzeń i czas rzeczywiście miałyby początek w wydarzeniu typu Wielkiego Wybuchu, a koniec w czarnych dziurach. W rzeczywistości odwrócił koncepcję Penrose’a, że stworzenie czarnej dziury musiałoby koniecznie prowadzić do osobliwości, udowadniając, że to właśnie osobliwość doprowadziła do powstania samego wszechświata.
Współpracując z Brandonem Carterem, Wernerem Israelem i Davidem Robinsonem, dostarczył matematycznego dowodu na „bezwłose twierdzenie” Johna Wheelera, zgodnie z którym każda czarna dziura jest w całości opisana przez trzy właściwości: masę, moment pędu i ładunek elektryczny, oraz zaproponował cztery prawa mechaniki czarnych dziur, podobne do czterech klasycznych praw termodynamiki. Na podstawie analizy emisji promieniowania gamma zasugerował również, że pierwotne czarne dziury lub „mini czarne dziury” powstałyby po Wielkim Wybuchu.
W 1974 roku Hawking i Jacob Bekenstein wykazali, że czarne dziury nie są w rzeczywistości całkowicie czarne, ale muszą termicznie tworzyć i emitować cząstki subatomowe, znane dziś jako promieniowanie Hawkinga, aż w końcu wyczerpią swoją energię i wyparują. Doprowadziło to również do powstania tak zwanego „paradoksu informacyjnego” lub „paradoksu Hawkinga”, zgodnie z którym informacja fizyczna (która z grubsza oznacza tożsamość i odrębne właściwości cząstek) wydaje się być całkowicie zagubiona we wszechświecie, co jest sprzeczne z przyjętymi prawami fizyki. Hawking bronił tego paradoksu przed argumentami Leonarda Susskinda i innych przez trzydzieści lat, aż do słynnego wycofania się w 2004 r.
Te przełomowe osiągnięcia zostały dokonane pomimo rosnącego paraliżu spowodowanego ALS Hawkinga. W 1974 r. nie był w stanie sam się nakarmić ani wstać z łóżka, a jego mowa była tak słaba, że mogli go zrozumieć tylko ludzie, którzy dobrze go znali. W 1985 r. zachorował na zapalenie płuc i musiał poddać się tracheotomii, co całkowicie uniemożliwiło mu mówienie, chociaż różni przyjaciele i dobroczyńcy współpracowali przy produkcji urządzenia, które umożliwiło mu pisanie na komputerze za pomocą niewielkich ruchów ciała, a następnie wymawianie tego, co napisał za pomocą syntezatora mowy.
W 1973 r. opuścił Instytut Astronomii na rzecz Wydziału Matematyki Stosowanej i Fizyki Teoretycznej, a w 1979 r. został mianowany profesorem matematyki Lucasian na Uniwersytecie Cambridge, którą to funkcję pełnił przez 30 lat, aż do przejścia na emeryturę w 2009 r. Miał troje dzieci z Jane Wilde. Miał troje dzieci z Jane Wilde: Roberta (1967), Lucy (1969) i Timothy’ego (1979), ale para ostatecznie rozstała się w 1991 roku, najwyraźniej z powodu presji sławy Hawkinga i jego rosnącej niepełnosprawności.
Przełomowe badania Hawkinga przyniosły mu znaczną sławę i rozgłos. W 1974 roku, w wieku 32 lat, został wybrany jednym z najmłodszych członków Royal Society. W 1982 r. został komandorem Orderu Imperium Brytyjskiego (CBE), a w 1989 r. otrzymał tytuł Companion of Honour. Zgromadził dwanaście tytułów honorowych, a także wiele innych nagród, medali i wyróżnień, w tym nagrodę Alberta Einsteina, najbardziej prestiżową w dziedzinie fizyki teoretycznej. Stał się również znany szerszej publiczności, szczególnie po swojej bestsellerowej książce „Krótka historia czasu” z 1988 roku i jej kontynuacjach „Wszechświat w skrócie” (2001) i „Krótsza historia czasu” (2005).
Kontynuował swoje badania nad eksplozją czarnych dziur, teorią strun i narodzinami czarnych dziur w naszej własnej galaktyce. Jego praca podkreśliła również potrzebę zjednoczenia ogólnej teorii względności i teorii kwantowej w kompleksowej teorii grawitacji kwantowej, znanej jako „teoria wszystkiego”, szczególnie jeśli chcemy wyjaśnić, co tak naprawdę wydarzyło się w czasie Wielkiego Wybuchu. Już w 1974 r. jego teoria emisji promieniowania Hawkinga przez czarne dziury była prawdopodobnie jednym z pierwszych przykładów teorii syntetyzującej, przynajmniej w pewnym stopniu, mechanikę kwantową i ogólną teorię względności.
Niezliczone inne badania naukowe Hawkinga na przestrzeni lat obejmują badania kosmologii kwantowej, inflacji kosmicznej, produkcji helu w anizotropowych wszechświatach Wielkiego Wybuchu, kosmologii „Big N”, macierzy gęstości wszechświata, topologii i struktury wszechświata, wszechświatów dziecięcych, instantonów Yanga-Millsa i macierzy S, przestrzeń anty-de Sittera, splątanie kwantowe i entropia, natura przestrzeni i czasu oraz strzałka czasu, piana czasoprzestrzenna, teoria strun, supergrawitacja, kwantowa grawitacja euklidesowa, hamiltonian grawitacyjny, teorie grawitacji Bransa-Dicke’a i Hoyle’a-Narlikara, promieniowanie grawitacyjne, holografia, symetria czasu i tunele czasoprzestrzenne.
Nigdy nie bojąc się wzbudzać kontrowersji, w latach 80-tych zaczął nawet kwestionować samą teorię Wielkiego Wybuchu, sugerując, że być może nigdy nie było początku i że nie będzie końca, a jedynie zmiany, ciągłe przechodzenie z jednego „wszechświata” do drugiego poprzez przeszkody w czasoprzestrzeni. Swoją „nieograniczoną propozycję” opracował we współpracy z amerykańskim fizykiem Jimem Hartle. W ramach klasycznej ogólnej teorii względności wszechświat musi być albo nieskończenie stary, albo mieć początek w osobliwości, ale propozycja Hawkinga i Hartle’a podnosi trzecią możliwość: wszechświat jest skończony, ale nie miał początkowej osobliwości, która wytworzyłaby granicę. Historia tego nieograniczonego wszechświata w „wyimaginowanym czasie” może być najlepiej rozważona przy użyciu analogii do powierzchni Ziemi, z Wielkim Wybuchem równoważnym biegunowi północnemu Ziemi i rozmiarem wszechświata rosnącym wraz z wyimaginowanym czasem, gdy poruszamy się na południe od równika.
W 1995 roku Hawking poślubił swoją pielęgniarkę, Elaine Mason, choć rozwiedli się w 2006 roku pośród niepotwierdzonych plotek o fizycznym znęcaniu się, a od tego czasu pogodził się ze swoją pierwszą żoną, Jane. W 2003 roku Hawking niebezpiecznie zachorował na zapalenie płuc, po czym po raz kolejny zaskoczył swoich lekarzy, wracając do zdrowia i coraz bardziej poświęcając się swojej pracy.
W 2004 roku radykalnie zmienił jedno ze swoich kontrowersyjnych twierdzeń na temat czarnych dziur (niszczą wszystko, co do nich wpadnie i nie można odzyskać żadnych informacji z czarnej dziury), twierdząc, że nowe odkrycia mogą pomóc rozwiązać „paradoks informacyjny czarnej dziury”. W jego nowej definicji czarnych dziur horyzont zdarzeń nie jest tak dobrze określony i może nie ukrywać całkowicie wszystkiego, co znajduje się w jego wnętrzu, a on sam przyjął koncepcję multiwersum, aby pomóc wyjaśnić zachowanie informacji w czarnych dziurach.
Poglądy Hawkinga na istnienie Boga były przedmiotem wielu debat, szczególnie od czasu opublikowania w 1988 r. Krótkiej historii czasu, w której wierzy, że odkrycie globalnej teorii wszystkiego pozwoliłoby nam „poznać umysł Boga”, co niektórzy interpretowali jako dosłowne, a inni jako literackie. Jednak w swojej książce The Grand Design z 2010 roku jednoznacznie stwierdza, że „spontaniczne stworzenie jest powodem, dla którego istnieje coś, a nie nic, dlaczego wszechświat istnieje, dlaczego my istniejemy. Nie musisz powoływać się na Boga… aby wprawić wszechświat w ruch.”
Hawking opuścił swoje stanowisko profesora matematyki Lucasian w Cambridge w 2009 roku, zgodnie z polityką emerytalną uniwersytetu, i przyjął Distinguished Research Chair w Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie. W tym samym roku został odznaczony Prezydenckim Medalem Wolności, najwyższym odznaczeniem cywilnym Stanów Zjednoczonych.
Stephen Hawking zmarł w wieku 76 lat 13 marca 2018 r.
Dowiedz się więcej o nim w naszym następnym artykule: Kim był Edwin Hubble?
>