door Stuart Clark

Gemma Levine/Getty

Stephen Hawking, de wereldberoemde theoretische natuurkundige, stierf op 76-jarige leeftijd.Hawking ‘ s kinderen, Lucy, Robert en Tim zeiden in een verklaring: “We zijn diep bedroefd dat onze geliefde vader vandaag is overleden.”hij was een groot wetenschapper en een buitengewone man wiens werk en nalatenschap vele jaren zal voortleven., Zijn moed en doorzettingsvermogen met zijn genialiteit en humor inspireerden mensen over de hele wereld.

advertentie

“hij zei ooit: ‘het zou niet veel van een universum zijn als het niet de thuisbasis was van de mensen waar je van houdt. We zullen hem voor altijd missen.Stephen Hawking overlijdt op 76-jarige leeftijd na de dood van de wereldberoemde theoretisch natuurkundige Stephen Hawking de meest herkenbare wetenschapper van onze tijd, Hawking heeft een iconische status., Zijn genrebepalende boek, A Brief History of Time, heeft meer dan 10 miljoen exemplaren verkocht sinds zijn publicatie in 1988, en is vertaald in meer dan 35 talen. Hij verscheen in Star Trek: The Next Generation, The Simpsons en The Big Bang Theory. Zijn vroege leven was het onderwerp van een Oscar-winnende prestatie van Eddie Redmayne in de 2014 film The Theory of Everything. Hij werd routinematig geraadpleegd voor orakelachtige uitspraken over alles van tijdreizen en buitenaards leven tot het Midden-Oosten politiek en snode robots., Hij had een vertederend gevoel voor humor en een waaghals houding – relateerbare menselijke eigenschappen die, gecombineerd met zijn ogenschijnlijk bovenmenselijke geest, Hawking bij uitstek verkoopbaar maakte.maar zijn culturele status – versterkt door zijn handicap en de media storm die het opriep – overschaduwde vaak zijn wetenschappelijke nalatenschap. Dat is jammer voor de man die ontdekte wat de sleutel tot de theorie van alles zou kunnen zijn, ons begrip van ruimte en tijd ontwikkelde, hielp de loop van de fysica de laatste vier decennia vorm te geven en wiens inzicht de vooruitgang in de fundamentele fysica vandaag de dag blijft aansturen.,

beginnend met de big bang

Hawking ‘ s onderzoeksloopbaan begon met teleurstelling. Aangekomen aan de Universiteit van Cambridge in 1962 om zijn doctoraat te beginnen, kreeg hij te horen dat Fred Hoyle, zijn gekozen supervisor, al een volledige groep studenten had. De beroemdste Britse astrofysicus van die tijd, Hoyle was een magneet voor de meer ambitieuze studenten. Hawking heeft het niet gehaald. In plaats daarvan zou hij werken met Dennis Sciama, een natuurkundige waar Hawking niets van wist., In hetzelfde jaar werd Hawking gediagnosticeerd met amyotrofe laterale sclerose, een degeneratieve motorische neuronziekte die mensen snel berooft van het vermogen om vrijwillig hun spieren te bewegen. Hij kreeg te horen dat hij nog twee jaar te leven had.hoewel Hawking ‘ s lichaam verzwakt kan zijn, bleef zijn intellect scherp. Twee jaar na zijn doctoraat had hij moeite met lopen en praten, maar het was duidelijk dat de ziekte langzamer vorderde dan de artsen aanvankelijk hadden gevreesd., Ondertussen, zijn verloving met Jane Wilde – met wie hij later drie kinderen had, Robert, Lucy en Tim – hernieuwde zijn drive om echte vooruitgang in de natuurkunde te boeken.

Stephen en Lucy Hawking

James Veysey/Camera Press

werken met Sciama had zijn voordelen. Hoyle ‘ s roem betekende dat hij zelden in het departement was, terwijl Sciama er was en graag wilde praten. Die discussies stimuleerden de jonge Hawking om zijn eigen wetenschappelijke visie na te streven., Hoyle was fel gekant tegen de big bang theorie (in feite had hij de naam “big bang” In Spot). Sciama, aan de andere kant, was blij voor Hawking om het begin van de tijd te onderzoeken.Hawking bestudeerde het werk van Roger Penrose, dat bewees dat als Einsteins algemene relativiteitstheorie juist is, in het hart van elk zwart gat een punt moet zijn waar ruimte en tijd zelf afbreken – een singulariteit. Hawking besefte dat als de pijl van de tijd werd omgekeerd, dezelfde redenering zou gelden voor het universum als geheel., Onder sciama ‘ s aanmoediging, werkte hij de wiskunde uit en was in staat om het te bewijzen: het universum volgens de algemene relativiteitstheorie begon in een singulariteit.

Hawking was zich er echter terdege van bewust dat Einstein niet het laatste woord had. De algemene relativiteit, die ruimte en tijd op grote schaal beschrijft, houdt geen rekening met de kwantummechanica, die het vreemde gedrag van materie op veel kleinere schaal beschrijft. Een onbekende “theorie van alles” was nodig om de twee te verenigen., Voor Hawking betekende de singulariteit aan de oorsprong van het universum niet de afbraak van ruimte en tijd, maar de noodzaak van kwantumzwaartekracht.Gelukkig leverde de link die hij smeedde tussen Penrose ‘ s singulariteit en de singulariteit bij de oerknal een belangrijke aanwijzing voor het vinden van een dergelijke theorie. Als natuurkundigen de oorsprong van het heelal wilden begrijpen, had Hawking ze net laten zien waar ze moesten kijken: een zwart gat.in het begin van de jaren zeventig waren zwarte gaten rijp voor onderzoek., Hoewel Karl Schwarzschild in 1915 dergelijke objecten op de loer had gevonden in de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie, beschouwden theoretici ze als louter wiskundige anomalieën en waren terughoudend om te geloven dat ze daadwerkelijk konden bestaan.hoewel ze beangstigend zijn, is hun actie redelijk eenvoudig: zwarte gaten hebben zulke sterke zwaartekrachtvelden dat niets, zelfs geen licht, aan hun greep kan ontsnappen. Elke materie die erin valt is voor altijd verloren voor de buitenwereld. Dit is echter een dolk in het hart van de thermodynamica.,

thermodynamische bedreiging

de tweede wet van de thermodynamica is een van de meest gevestigde natuurwetten. Het stelt dat de entropie, of het niveau van wanorde in een systeem, altijd toeneemt. De tweede wet geeft vorm aan de observatie dat ijsblokjes zullen smelten tot een plas, maar een plas water zal nooit spontaan veranderen in een blok ijs. Alle materie bevat entropie, dus wat gebeurt er als het in een zwart gat valt? Is entropie erbij verloren? Als dat zo is, gaat de totale entropie van het heelal omlaag en zwarte gaten zouden in strijd zijn met de tweede wet van de thermodynamica.,

Hawking vond dit prima. Hij was blij om elk concept dat in de weg stond naar een diepere waarheid te verwerpen. En als dat de tweede wet betekende, dan zij het zo.Hawking ontmoette zijn gelijke op een natuurkunde zomerschool in 1972 in het Franse skigebied Les Houches, Frankrijk. Jacob Bekenstein van Princeton University vond dat de tweede wet van de thermodynamica ook van toepassing zou moeten zijn op zwarte gaten. Bekenstein had het entropieprobleem bestudeerd en had dankzij een eerder inzicht van Hawking een mogelijke oplossing gevonden.,

een zwart gat verbergt zijn singulariteit met een grens die bekend staat als de waarnemingshorizon. Niets dat de waarnemingshorizon passeert kan ooit naar buiten terugkeren. Hawking ‘ s werk had aangetoond dat de oppervlakte van de waarnemingshorizon van een zwart gat nooit afneemt in de tijd. Bovendien, wanneer materie in een zwart gat valt, groeit het gebied van zijn waarnemingshorizon.

Bekenstein besefte dat dit de sleutel was tot het entropieprobleem. Elke keer als een zwart gat materie inslikt, lijkt zijn entropie verloren te gaan, en tegelijkertijd groeit zijn waarnemingshorizon., Dus stelde Bekenstein voor, wat als-Om de tweede wet te behouden-het gebied van de horizon zelf een maat is voor entropie?Hawking had onmiddellijk een hekel aan het idee en was boos dat zijn eigen werk was gebruikt ter ondersteuning van een concept zo gebrekkig. Met entropie komt warmte, maar het zwarte gat kan geen warmte uitstralen-niets kan ontsnappen aan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Tijdens een pauze van de lezingen, Hawking kwam samen met collega ‘ s Brandon Carter, die ook studeerde bij Sciama, en James Bardeen, van de Universiteit van Washington, en geconfronteerd Bekenstein.,

het meningsverschil stoorde Bekenstein. “Deze drie waren senior mensen. Ik ben net afgestudeerd. Je maakt je zorgen of je gewoon dom bent en deze jongens weten de waarheid,” herinnert hij zich.in Cambridge probeerde Hawking te bewijzen dat Bekenstein ongelijk had. In plaats daarvan ontdekte hij de precieze vorm van de wiskundige relatie tussen entropie en de horizon van het zwarte gat. In plaats van het idee te vernietigen, had hij het bevestigd. Het was Hawking ‘ s grootste doorbraak.,

Hawking straling

Hawking omarmde nu het idee dat thermodynamica een rol speelde in zwarte gaten. Alles wat entropie heeft, redeneerde hij, heeft ook een temperatuur – en alles wat een temperatuur heeft kan uitstralen.zijn oorspronkelijke fout, Hawking realiseerde zich, was alleen de algemene relativiteit te beschouwen, die zegt dat niets – geen deeltjes, geen warmte-aan de greep van een zwart gat kan ontsnappen. Dat verandert wanneer kwantummechanica in het spel komt., Volgens de kwantummechanica verschijnen vluchtige paren deeltjes en antideeltjes constant uit de lege ruimte, om vervolgens in een oogwenk te vernietigen en te verdwijnen. Wanneer dit gebeurt in de buurt van een waarnemingshorizon, kan een deeltje-antideeltjespaar worden gescheiden – men valt achter de horizon terwijl men ontsnapt, waardoor ze voor altijd niet in staat zijn elkaar te ontmoeten en te vernietigen. De zwevende deeltjes stromen weg van de rand van het zwarte gat als straling. De willekeur van kwantumcreatie wordt de willekeur van warmte.,”ik denk dat de meeste natuurkundigen het ermee eens zijn dat Hawking’ s grootste bijdrage de voorspelling is dat zwarte gaten straling uitzenden, ” zegt Sean Carroll, een theoretisch natuurkundige aan het California Institute of Technology. “Hoewel we nog steeds geen experimentele bevestiging hebben dat Hawking’ s voorspelling waar is, gelooft bijna elke expert dat hij gelijk had.”

experimenten om Hawking ‘ s voorspelling te testen zijn zo moeilijk omdat hoe massiever een zwart gat is, hoe lager de temperatuur., Voor een groot zwart gat – het soort dat astronomen met een telescoop kunnen bestuderen-is de temperatuur van de straling te onbeduidend om te meten. Zoals Hawking zelf vaak opmerkte, was het om deze reden dat hij nooit een Nobelprijs kreeg. Toch was de voorspelling genoeg om hem een toppositie te geven in de annalen van de wetenschap, en de kwantumdeeltjes die stromen vanaf de rand van het zwarte gat zouden voor altijd bekend staan als Hawking straling.sommigen hebben gesuggereerd dat ze beter Bekenstein-Hawking radiation zouden moeten worden genoemd, maar Bekenstein zelf verwerpt dit., “De entropie van een zwart gat heet Bekenstein-Hawking entropie, wat ik prima vind. Ik schreef het eerst op, Hawking vond de numerieke waarde van de constante, dus samen vonden we de formule zoals die nu is. De straling was Hawking ‘ s werk. Ik had geen idee hoe een zwart gat kon uitstralen. Hawking bracht dat heel duidelijk naar voren. Dus dat zou Hawking straling moeten worden genoemd.”

Theory of everything

De Bekenstein-Hawking entropievergelijking is degene die Hawking gevraagd heeft op zijn grafsteen te hebben gegraveerd., Het vertegenwoordigt de ultieme mash-up van fysische disciplines omdat het de constante van Newton bevat, die duidelijk verband houdt met de zwaartekracht; de constante van Planck, die de kwantummechanica in het spel verraadt; de snelheid van het licht, de talisman van Einsteins relativiteit; en de constante van Boltzmann, de heraut van de thermodynamica.

de aanwezigheid van deze Diverse constanten hintte op een theorie van alles, waarin alle fysica is Verenigd. Bovendien bevestigde het sterk Hawking ‘ s oorspronkelijke vermoeden dat het begrijpen van zwarte gaten de sleutel zou zijn in het ontsluiten van die diepere theorie.,

Hawking ‘ s doorbraak kan het entropieprobleem hebben opgelost, maar het bracht in zijn kielzog een nog moeilijker probleem naar voren. Als zwarte gaten kunnen stralen, zullen ze uiteindelijk verdampen en verdwijnen. Wat gebeurt er met alle informatie die erin viel? Verdwijnt het ook? Als dat zo is, zal het in strijd zijn met een centraal principe van kwantummechanica. Aan de andere kant, als het uit het zwarte gat ontsnapt, zal het Einsteins relativiteitstheorie schenden. Met de ontdekking van zwart gat straling, Hawking had pit de ultieme wetten van de fysica tegen elkaar. De zwarte gat informatie verlies paradox was geboren.,Hawking zette zijn positie in in een ander baanbrekend en nog controversiëler artikel getiteld Breakdown of predictability in gravitational collapse, gepubliceerd in Physical Review D in 1976. Hij betoogde dat wanneer een zwart gat zijn massa wegstraalt, het al zijn informatie meeneemt-ondanks het feit dat de kwantummechanica uitdrukkelijk het verlies van informatie verbiedt. Al snel zouden andere natuurkundigen partij kiezen, voor of tegen dit idee, in een debat dat tot op de dag van vandaag voortduurt. Inderdaad, velen vinden dat informatieverlies het meest dringende obstakel is om kwantumzwaartekracht te begrijpen.,”Hawking’ s 1976 argument that black holes lose information is a towering achievement, maybe one of the most consequential discoveries on the theoretical side of physics since the subject was invented,” says Raphael Bousso of the University of California, Berkeley.tegen het einde van de jaren negentig waren de meeste theoretische natuurkundigen ervan overtuigd dat Hawking ongelijk had over het verlies van informatie, maar Hawking, bekend om zijn koppigheid, groef in zijn hielen. Pas in 2004 zou hij van gedachten veranderen., En hij deed het met flair-dramatisch opdagen op een conferentie in Dublin en zijn bijgewerkte visie aankondigen: zwarte gaten kunnen informatie niet verliezen.

vandaag echter, heeft een nieuwe paradox bekend als de firewall alles in twijfel getrokken (zie “Hawking’ s paradox”, hieronder). Het is duidelijk dat de vraag die Hawking stelt de kern vormt van de zoektocht naar kwantumzwaartekracht.

“Black hole radiation roept ernstige puzzels op die we nog steeds heel hard werken om te begrijpen,” zegt Carroll., “Het is eerlijk om te zeggen dat Hawking straling is de grootste aanwijzing die we hebben om de ultieme verzoening van kwantummechanica en zwaartekracht, misschien wel de grootste uitdaging waarmee de theoretische natuurkunde vandaag de dag.”

Hawking ’s nalatenschap, zegt Bousso, zal zijn” na het leggen van zijn vinger op de belangrijkste moeilijkheid in de zoektocht naar een theorie van alles”.Hawking bleef de grenzen van de theoretische fysica verleggen in een schijnbaar onmogelijk tempo voor de rest van zijn leven., Hij heeft belangrijke stappen gezet om te begrijpen hoe de kwantummechanica van toepassing is op het universum als geheel, wat de weg wijst op het gebied dat bekend staat als de kwantum kosmologie. Zijn progressieve ziekte dwong hem om problemen op nieuwe manieren aan te pakken, wat bijdroeg aan zijn opmerkelijke intuïtie voor zijn onderwerp. Toen hij het vermogen verloor om lange, ingewikkelde vergelijkingen uit te schrijven, vond Hawking nieuwe en inventieve methoden om problemen in zijn hoofd op te lossen, meestal door ze in geometrische vorm opnieuw te bedenken. Maar, zoals Einstein voor hem, Hawking nooit iets zo revolutionair als zijn vroege werk geproduceerd.,”Hawking’ s meest invloedrijke werk werd gedaan in de jaren 1970, toen hij jonger was,” zegt Carroll, “maar dat is volledig standaard, zelfs voor natuurkundigen die niet belast zijn met een slopende neuronziekte.”

Hawking the superstar

NASA

ondertussen katapulteerde de publicatie van een korte geschiedenis van de tijd Hawking naar cultureel sterrendom en gaf een nieuw gezicht naar theoretische fysica. Hij leek het nooit erg te vinden. Voor de camera speelde Hawking het personage Hawking., Hij leek te spelen met zijn culturele status,” zegt Hélène Mialet, een antropoloog van de Universiteit van Californië, Berkeley, die controverse in 2012 met de publicatie van haar boek Hawking Incorporated. Daarin onderzocht ze de manier waarop de mensen rond Hawking hem hielpen zijn imago op te bouwen en te behouden.

dat publieke imago maakte zijn leven ongetwijfeld gemakkelijker dan het anders zou zijn geweest. Naarmate de ziekte van Hawking vorderde, leverden technologen graag steeds ingewikkelder machines om hem in staat te stellen te communiceren., Dit, op zijn beurt, laat hem blijven doen wat hij uiteindelijk moet worden herinnerd: zijn wetenschap.”Stephen Hawking heeft meer gedaan om ons begrip van zwaartekracht te bevorderen dan wie dan ook sinds Einstein,” zegt Carroll. “Hij was een wereldleider theoretisch natuurkundige, duidelijk de beste in de wereld voor zijn tijd onder degenen die werken op het snijvlak van zwaartekracht en kwantummechanica, en hij deed het allemaal in het gezicht van een verschrikkelijke ziekte. Hij is een inspirerende figuur, en de geschiedenis zal hem zeker op die manier herinneren.,Hawking ‘ s paradox in 2012 schokten vier natuurkundigen van de Universiteit van Californië, Santa Barbara – Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski en James Sully, gezamenlijk bekend als AMPS, de natuurkundigen met de resultaten van een gedachte – experiment.

wanneer paren van deeltjes en antideeltjes paaien in de buurt van de waarnemingshorizon van een zwart gat, deelt elk paar een verbinding die verstrengeling wordt genoemd., Maar wat gebeurt er met deze link en de informatie die het bevat wanneer een van het paar erin valt, waardoor zijn tweelingbroer een deeltje van Hawking straling wordt (zie hoofdverhaal)?

een school van denken stelt dat de informatie wordt bewaard als het gat verdampt, en dat het wordt geplaatst in subtiele correlaties tussen deze deeltjes van Hawking straling.

maar, AMPS vroeg, hoe ziet het eruit voor waarnemers binnen en buiten het zwarte gat? Alice en Bob.,

volgens Bob, die buiten het zwarte gat blijft, is dat deeltje door de horizon van zijn antideeltje-partner gescheiden. Om informatie te bewaren, moet het verstrikt raken met een ander deeltje van Hawking straling.

maar wat gebeurt er vanuit het oogpunt van Alice, die in het zwarte gat valt? De algemene relativiteitstheorie zegt dat Voor een vrij vallende waarnemer de zwaartekracht verdwijnt, zodat ze de waarnemingshorizon niet ziet. Volgens Alice, het deeltje in kwestie blijft verstrikt met zijn antideeltje partner, omdat er geen horizon om ze te scheiden., De paradox is geboren.

dus wie heeft gelijk? Bob of Alice? Als het Bob is, dan zal Alice geen lege ruimte aan de horizon tegenkomen, zoals de algemene relativiteitstheorie beweert. In plaats daarvan zal ze worden verbrand tot een scherpe door een muur van Hawking straling-een firewall. Als Alice gelijk heeft, zal informatie verloren gaan, wat een fundamentele regel van kwantummechanica breekt. “De vurige controverse rond Hawking’ s paradox weerspiegelt de inzet die zijn werk heeft opgeworpen: in quantising gravity, what gives? En hoeveel?”zegt Raphael Bousso van de Universiteit van Californië, Berkeley., Het antwoord wacht ons in de theorie van alles. Amanda Gefter

artikel gewijzigd op 14 maart 2018

We hebben de namen en het aantal van Hawking ‘ s kinderen gecorrigeerd

meer over deze onderwerpen:

  • Stephen Hawking

Written by 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *