Stephen Hawking, fyzik, který přetočil vesmír a odstředil zesílené částice z horkých hraničních oblastí černých děr, dnes otočí 76 (8. ledna).
Kromě toho, že byl Hawking světově uznávaným kosmologem, se stal také ikonou popkultury. Je to nápadná postava: génius stočený v těle do značné míry imobilizovaný amyotrofickou laterální sklerózou nebo ALS. Je podporován pokročilým invalidním vozíkem a komunikuje se světem prostřednictvím vzácného a specializovaného systému, který přeměňuje pohyby jednoho svalu v jeho tváři na řeč. V tomto režimu se objevil na „Star Trek: Next Generation“, „Simpsonovi“ a „The Big Bang Theory“.
Ale Hawkingovo nejstarší dědictví bude jako nejdůležitější fyzik druhé poloviny 20. století - výzkumník, který bral dřívější práce postav jako Albert Einstein a Werner Heisenberg a pletl je dohromady do něčeho, co se blíží koherentnímu vysvětlení chování vesmír.
"V naší minulosti je jedinečnost"
Žádný dobrý geniální příběh nezačíná ničím jiným než třeskem, takže je vhodné, aby Hawkingovým prvním velkým úspěchem byla také jeho disertační práce na University of Cambridge.
Hawkingova teze, schválená v roce 1966, učinila dramatický argument: že celý vesmír začal jako jediný bod, nekonečně malý a hustý a stočený na sebe - bod na začátku všeho. Nebo, jak později napsal, stručně: „V naší minulosti je jedinečnost.“
Byl to první popis Velkého třesku, jak se dnes běžně chápe: nekonečně malý bod v dalekém časovém úseku, který vtrhl do našeho moderního, neustále se rozšiřujícího vesmíru.
Jak Hawking popsal ve své přednášce z roku 2005 „Původ vesmíru“, jeho teze dorazila ve chvíli, kdy vědci viděli, že obrovské prázdné prostory vesmíru, propasti mezi galaxiemi, se rozšiřují. Ale nevěděli proč. Někteří fyzici navrhli slabší verze konceptu Velkého třesku, mínus singularita. Dominantní však byla jiná teorie, zvaná Steady State Universe.
„Jak se galaxie pohybovaly od sebe,“ řekl Hawking o Steady State Universe, „myšlenkou bylo, že nové galaxie se budou tvořit z hmoty, která měla být neustále vytvářena v celém vesmíru. Vesmír by existoval navždy a vypadal by stejně vždy."
Jinými slovy, mnoho vědců si myslí, že vesmír se rozšiřuje, ale způsobem, který mu nedal začátek ani konec.
Jak životopis Kitty Ferguson psal ve své knize „Stephen Hawking: Unfettered Mind“ (St. Martin's Griffin, 2012), Hawking zápasil s depresí v měsících po své diagnóze ALS z roku 1963 ve věku 21 let a měl tuto duševní nemoc přetrvávat, mohl by nikdy nedospěl k jeho práci. Jeho deprese však ustoupila, když bylo jasné, že přežívá očekávání, a když mu byla udělena výjimka z Cambridge, která řídí postgraduální studenty, což mu podle Fergusona umožnilo vzít si svou první manželku Jane Wildeovou.
Během této doby, než dorazil k tématu své disertační práce, Hawking uvedl, že je frustrovaný tím, jak se vědci zabývají prací, kterou považoval za nakonec triviální.
„Lidé byli tak potěšeni, že našli nějaké řešení polních rovnic; neptali se, jaký to má fyzický význam, pokud existuje,“ řekl později ve své narozeninové přednášce z roku 2002.
Tato frustrace ho přivedla k jeho prvnímu štětci se známostí. Jak Ferguson líčil, Hawking cestoval v červnu 1964, aby vyslechl přednášku od Freda Hoyla, slavného astronoma a zastánce teorie ustáleného stavu vesmíru. Během přednášky byl Hawking tak frustrovaný, že se zvedl na nohy a opřel se o hůl, aby zpochybnil jeden z Hoyleových výsledků.
„Překvapený Hoyle se zeptal Hawking, jak by mohl posoudit, zda je výsledek správný nebo špatný,“ napsal Ferguson. „Hawking odpověděl, že to„ vypracoval. ““
Publikum bylo ohromeno a Hoyle byl „rozzlobený“ tímto neznámým postgraduálním studentem, který se zdálo, že na přednášce roztrhl profesorův výzkum v hlavě, napsal Ferguson. (Ve skutečnosti se Hawking spřátelil s jedním z Hoyleových studentů a začal tento nápad napadat dlouho před přednáškou.)
Brzy nato Ferguson napsal, Hawking se dozvěděl o kosmologické teorii vyvinuté matematikem Rogerem Penroseem: že singularita, body nekonečné hustoty a časově-křivosti zakřivené obecně relativitou, se ve skutečnosti mohou objevit, když se na sebe dostatečně zhroutí dostatečně velké hvězdy.
„Hawking odtamtud vzlétl,“ napsal Ferguson, „obrátil směr času a přemýšlel, co by se stalo, kdyby bod nekonečné hustoty a nekonečného zakřivení časoprostoru - singularita - vybuchl a rozšířil se. Předpokládejme, že vesmír začal jako Předpokládejme, že časoprostor, stočený těsně v malém, bezrozměrném bodě, explodoval v tom, čemu říkáme Velký třesk, a expandoval, dokud nevypadal tak, jak to dnes dělá. Musí stalo se takhle? “
Hawking začal pracovat, zálohoval svůj spekulační spekulace robustními podpůrnými výpočty. Jeho disertační práce, založená na těchto výpočtech, byla schválena v roce 1966. Tyto výpočty, spolu s následným výzkumem prováděným ve spolupráci s Penrose v průběhu následujícího desetiletí, tvořily základ moderního chápání Velkého třesku vědci.
Přibližně ve stejné době začaly některé klíčové předpovědi teorie ustáleného stavu vesmíru selhat v experimentálních testech a upevňovaly Hawkingův status objevitele skutečné historie raného vesmíru.
Výbuchy černé díry?
Pokud by Hawkingovým jediným úspěchem v jeho kariéře bylo objevování historické podoby vesmíru, byl by to stále obří - druh osoby zmíněné po boku Rosalind Franklinové, která objevila tvar dvojité spirály DNA, nebo Nicolaus Copernicus, který nejprve navrhl heliocentrický model sluneční soustavy. Ale to byl jen první z Hawkingových definičních úspěchů.
Druhá, Hawkingova radiace, vyžaduje trochu pochopení dvou věcí: černých děr a kvantové mechaniky prázdného prostoru.
Za prvé, o černých dírách: Černá díra je hvězda, která se zhroutila na sebe a stala se tak gravitačně intenzivní, že ani světlo nemůže uniknout oblasti kolem jejího středu. Za tímto bodem, zvaným horizont událostí, je časoprostor natolik zakřivený, že vše, co spadne za kryt, je navždy ztraceno. Černá díra podle tohoto porozumění na počátku 70. let nikdy nevyzařuje světlo, nikdy se nezmršťuje, nikdy neztrácí hmotu; získává pouze hmotu a vtahuje více prostoru do svého zahaleného území.
Zadruhé, o kvantové mechanice: V době Hawkingovy kariéry vědci dlouho věděli, že Heisenbergova nejistota z předpokladu naznačuje, že prázdný prostor není opravdu prázdný. Místo toho se krouží s „virtuálními“ částicemi - dvojicemi antihmoty hmoty, které se objevují společně, oddělují se a poté narazí do sebe a zničí se v časovém úseku příliš krátkém na to, aby se změřily. (Vědci tvrdí, že k dnešnímu dni tyto virtuální částice skutečně existují nebo se objevují pouze v kvantových rovnicích kvůli jejich podivné, pravděpodobnostní povaze.)
Na konci léta 1973 se Stephen a Jane Hawking zúčastnili přednáškové série ve Varšavě v Polsku, kde oslavili 500. narozeniny Copernicuse, napsal Ferguson. Tam se Hawking setkal se dvěma sovětskými fyziky, Yakovem Borisovičem Zel'dovičem a jeho žákem Alexejem Alexandrovičem Starobinským, kteří ukázali, že energie rotujících černých děr vytvoří částice těsně za jejich obzory událostí. Tyto částice by pronikly do vesmíru, Zel'dovich a Starobinsky řekli ve své přednášce a během cesty sekali část rotace černé díry. Zel'dovič a Starobinsky nakonec řekli, že černé díry přestanou rotovat.
Nápad uvízl v Hawkingově hlavě, napsal Ferguson, a vrátil se do Cambridge, aby zopakoval a zpřesnil výpočty Zel'doviče a Starobinksyho. Když však na své výsledky vzal první bodnutí, objevilo se něco nového.
„Zjistil jsem, k mému překvapení a mrzutosti, že i neotáčející se černé díry by měly zřejmě vytvářet a emitovat částice ustálenou rychlostí,“ napsal později ve své knize z roku 1988 „Stručná historie času“.
Zde je důvod, jak vysvětlil v této knize:
Pokud v prostoru existují černé díry a mají definované horizonty událostí, a pokud se prostor neustále kroutí s virtuálními „dvojicemi sebe-ničících částic“, pak se tyto částice musí někdy objevit na hranách horizontu událostí černých děr. Ve skutečnosti některé z těchto párů částic musí vypadat dokonale umístěné s jednou částicí antihmoty s negativní hmotou oddělenou na jedné straně horizontu události a druhou částicí s hmotností pozitivní hmoty oddělenou na druhé straně.
Tato podivná okolnost by účinně „posílila“ částice z jejich virtuální semiexistence do plné reality, uvědomil si Hawking, protože by se dostatečně oddělili, aby nezničili. To znamenalo, že z povrchu horizontu událostí černých děr by proudily částečky energie a hmoty. A ten proud energie, vyzařující z toho, co fyzikové dříve věřili, byla věčně temná těla, pojmenoval Hawkingovo záření poté, co jej popsal v dokumentu z roku 1974 v přírodě nazvaném „Výbuchy černé díry?“.
Hawkingovo záření zásadně změnilo způsob, jakým fyzici chápali vesmír. Před Hawkingovou realizací vědci věřili, že jakákoli hmota nebo energie ztracená v černé díře byla navždy pryč z širšího vesmíru, takže horizonty událostí černých děr by fungovaly jako stěny, z nichž se některé věci vesmíru nikdy nevrátí.
Hawkingův objev však ukázal, že černé díry by se postupem času rychleji a rychleji rozpadaly. Pro každou pozitivní částici, která proudila z povrchu horizontu události ven do širšího vesmíru, by negativní částice se zápornou energií a hmotou spadla zpět do prostoru za horizontem události, čímž by se snížila celková hmota a energie tam uzavřená. Postupem času by tento proces způsobil smrštění černých děr. A jak se zmenšovaly, staly by se aktivnějšími s Hawkingovým zářením a rychleji se zmenšovaly.
Hawking předpověděl, že vesmír musí obsahovat „prapůvodní černé díry“, které nevznikly z kolabujících hvězd, ale z extrémních tlaků raného vesmíru. Tyto černé díry, jak usoudil, by se během intervenujících miliard let značně zmenšily a jejich malé horizonty událostí by chrlily silné paprsky Hawkingova záření.
„Takové díry si stěží zasloužily Černá: jsou opravdu rozpálený do běla, “napsal v„ Stručné historii času “.
Nakonec se Hawking rozhodl, že explodují.
Jak Hawking začal sdílet tento nápad, Ferguson psal v "Anfettered Mind", jeho vrstevníci to přijali jako brilantní nebo kacířské. Když Penrose uslyšel šeptat, zavolal Hawkingovi, zatímco fyzik seděl na své narozeninové večeři v roce 1974 a poblahopřál mu tak dlouho, že jeho večeře zchladla. Ale měsíce později se moderátor na sympoziu, kde Hawking představil svůj návrh, zvedl a prohlásil ho za „naprostý odpad“.
Dnes se považuje za základní vědecký fakt.
Za černými dírami
Za čtyři a půl desetiletí od „explozí černé díry?“ Hawking pokračoval v publikování výzkumu, který vybírá základy vesmíru - včetně nápadů, které útočí na jeho vlastní dřívější příspěvky. (Viz například překvapivý nadpis roku 2014 v Přírodě: „Stephen Hawking: Neexistují žádné černé díry“.)
Hawking se stal nejslavnější ve své pozdější kariéře vědeckého komunikátora. Navázal na svou klasiku z roku 1988 „Stručná historie času“ dalšími deseti díly populární vědy a vzpomínkou nazvanou „Moje krátká historie“ (Random House, 2013).
Je nemožné mluvit o obrovských příspěvcích Hawkinga k lidskému porozumění vesmíru, aniž by bylo třeba uznat kontext jeho dlouhodobě klesajícího zdraví. Hawkingovy dva klíčové příspěvky k fyzice přišly během stejného období, ve kterém se proměnil z mladého člověka, který byl schopen chodit sám o sobě, k muži, který byl omezen na invalidní vozík, promlčel jeho řeč a spoléhal na svou ženu, aby přepsal jeho myšlenky .
ALS ochromuje tělo, ale - alespoň v případě Hawkinga - nepoškodí mysl. A za to, napsal Ferguson, Hawking se dlouho počítal jako „svrchovaně šťastný“.
„Bylo to pravda v roce 1964, a to je dnes,“ napsal Ferguson, „že pokud jde o Hawkinga, čím méně je jeho fyzických problémů, tím lépe. Poznal jsem v roce 1989, během rozhovorů o mé první knize o něm, že kdybych měl psát o své vědecké práci a úplně nezmínit, že by taková práce pro něj možná představovala více úspěchů než pro většinu lidí, vyhovovalo by mu to dobře. ““
Hawking se zdá být nejpohodlnější diskutovat o postižení v souvislosti s jeho aktivismem, který byl významný. V roce 1999 se připojil ke skupině 12 významných osobností, včetně jihoafrického aktivistu Desmonda Tutua, a podepsal chartu vyzývající vlády světa k transformaci jejich vztahů s jejich zdravotně postiženým obyvatelstvem a rozšiřování služeb, které zlepšují život lidí se zdravotním postižením.
Hawking byl také významným ochráncem všeobecné zdravotní péče a britské národní zdravotní služby (NHS) a zašel tak daleko, aby zaútočil na ministra zdravotnictví Konzervativní strany Jeremyho Hunta v projevu z srpna 2017 pro nedostatečné financování a podporu programu.
„Bez NHS bych tu nebyl,“ řekl Hawking.
Když Hawking komentuje umělou inteligenci nebo mimozemšťany, má tendenci získávat největší pozornost pro své představy o budoucnosti lidstva. Většina jeho prohlášení v této věci však byla více na zemi: odporovat válkám, obávat se, že odmítnutí změny klimatu americkým prezidentem Donaldem Trumpem může poškodit planetu a připojit se k celosvětovému akademickému bojkotu Izraele.
Live Science přeje Hawkingovi všechno nejlepší k narozeninám a mnoho dalšího.
