av Stuart Clark

Gemma Levine/Getty

Stephen Hawking, den världsberömda teoretiska fysikern, har dött vid en ålder av Stephen Hawking. 76.

Hawkings barn, Lucy, Robert och Tim sade i ett uttalande: ”Vi är djupt ledsna över att vår älskade far gick bort idag.

”Han var en stor vetenskapsman och en extraordinär man vars arbete och arv kommer att leva på i många år., Hans mod och uthållighet med sin briljans och humor inspirerade människor över hela världen.

annons

”han sa en gång:” det skulle inte vara mycket av ett universum om det inte var hem för de människor du älskar. Vi kommer att sakna honom för alltid.”

Stephen Hawking dör i åldern 76

hyllningar flöde efter döden av världsberömda teoretiska fysikern Stephen Hawking

den mest kända vetenskapsmannen i vår ålder, Hawking har en ikonisk status., Hans genre-definiera bok, en kort historia av tid, har sålt mer än 10 miljoner exemplar sedan dess publicering 1988, och har översatts till mer än 35 språk. Han dök upp på Star Trek: The Next Generation, Simpsons och The Big Bang Theory. Hans tidiga liv var föremål för en Oscar-vinnande resultat av Eddie Redmayne i 2014-filmen The Theory of Everything. Han rådfrågades rutinmässigt för oracular uttalanden om allt från tidsresor och främmande liv till Mellanöstern politik och skändliga robotar., Han hade en älskvärd känsla av humor och en våghalsig attityd – relatable mänskliga drag som i kombination med hans till synes övermänskliga sinne gjorde Hawking synnerligen marknadsförbar.

men hans kulturella status-förstärkt av hans funktionshinder och media storm det åberopade – överskuggade ofta hans vetenskapliga arv. Det är synd för mannen som upptäckte vad som kan visa sig vara den viktigaste ledtråden till teorin om allt, avancerade vår förståelse av tid och rum, hjälpte till att forma fysikens kurs under de senaste fyra decennierna och vars insikt fortsätter att driva framsteg i grundläggande fysik idag.,

börjar med big bang

Hawkings forskarkarriär började med besvikelse. Anländer till Universitetet i Cambridge 1962 för att börja sin doktorsexamen, fick han veta att Fred Hoyle, hans utvalda handledare, redan hade ett komplett komplement av studenter. Den mest kända brittiska astrofysikern vid den tiden var Hoyle en magnet för de mer ambitiösa studenterna. Hawking klarade sig inte. Istället var han att arbeta med Dennis Sciama, en fysiker Hawking visste ingenting om., Samma år fick Hawking diagnosen amyotrofisk lateralskleros, en degenerativ motorneuronsjukdom som snabbt berövar människor möjligheten att frivilligt flytta sina muskler. Han fick veta att han hade två år att leva.

Även om Hawkings kropp kan ha försvagats, var hans intellekt skarp. Två år i sin doktorsexamen hade han problem med att gå och prata, men det var uppenbart att sjukdomen fortskrider långsammare än läkarna ursprungligen hade fruktat., Samtidigt förnyade hans engagemang för Jane Wilde – med vilken han senare hade tre barn, Robert, Lucy och Tim – sin enhet för att göra verkliga framsteg inom fysiken.

Stephen och Lucy Hawking

James Veysey/Camera Press

att arbeta med Sciama hade sina fördelar. Hoyles berömmelse innebar att han sällan var i avdelningen, medan Sciama var runt och ivrig att prata. Dessa diskussioner stimulerade den unga Hawking att fullfölja sin egen vetenskapliga vision., Hoyle var starkt emot big bang-teorin (i själva verket hade han myntat namnet ”big bang” i mockery). Sciama, å andra sidan, var glad för Hawking att undersöka början av tiden.

Time ’ s arrow

Hawking studerade Roger Penroses arbete, vilket visade att om Einsteins allmänna relativitetsteori är korrekt, måste hjärtat av varje svart hål vara en punkt där utrymme och tid själva bryter ner – en singularitet. Hawking insåg att om time ’ s arrow var omvänd, skulle samma resonemang hålla sant för universum som helhet., Under Sciamas uppmuntran utarbetade han matematiken och kunde bevisa det: universum enligt allmän relativitet började i en singularitet.

Hawking var väl medveten om att Einstein inte hade det sista ordet. Allmän relativitet, som beskriver rymd och tid i stor skala, tar inte hänsyn till kvantmekanik, som beskriver materiens konstiga beteende vid mycket mindre skalor. Några okända ”teori om allt” behövdes för att förena de två., För Hawking, singulariteten vid universums ursprung inte signalera nedbrytningen av tid och rum; det signalerade behovet av kvantgravitation.

lyckligtvis gav länken som han förfalskade mellan Penroses singularitet och singulariteten vid big bang en viktig ledtråd för att hitta en sådan teori. Om fysiker ville förstå universums ursprung hade Hawking just visat dem exakt var de ska leta: ett svart hål.

svarta hål var ett ämne som var mogen för utredning i början av 1970-talet., Även om Karl Schwarzschild hade hittat sådana objekt som lurar i ekvationerna för allmän relativitet tillbaka 1915, betraktade teoretiker dem som bara matematiska anomalier och var ovilliga att tro att de faktiskt kunde existera.

om än skrämmande är deras handling ganska okomplicerad: svarta hål har så starka gravitationsfält att ingenting, inte ens ljus, kan undkomma sitt grepp. Varje sak som faller i en är för alltid förlorad för omvärlden. Detta är dock en dolk i hjärtat av termodynamiken.,

termodynamiskt hot

termodynamikens andra lag är en av de mest väletablerade naturlagarna. Det står att entropin, eller nivån av störning i ett system, alltid ökar. Den andra lagen ger formen till observationen att isbitar smälter in i en pöl, men en vattenpöl kommer aldrig spontant att bli ett isblock. All materia innehåller entropi, så vad händer när det släpps i ett svart hål? Är entropi förlorad tillsammans med den? Om så är fallet går universums totala entropi ner och svarta hål skulle bryta mot termodynamikens andra lag.,

Hawking tyckte att det var bra. Han var glad att kasta bort alla begrepp som stod i vägen för en djupare sanning. Och om det betydde den andra lagen, så var det så.

Bekenstein och genombrott

men Hawking mötte sin match på en 1972 fysik sommarskola i den franska skidorten Les Houches, Frankrike. Princeton University doktorand Jacob Bekenstein trodde att den andra lagen om termodynamik bör gälla för svarta hål också. Bekenstein hade studerat entropiproblemet och hade nått en möjlig lösning tack vare en tidigare inblick i Hawkings.,

ett svart hål döljer sin singularitet med en gräns som kallas händelsehorisonten. Ingenting som korsar händelsehorisonten kan någonsin återvända till utsidan. Hawkings arbete hade visat att området i ett svart håls händelsehorisont aldrig minskar över tiden. Dessutom, när materia faller i ett svart hål, växer området för dess händelsehorisont.

Bekenstein insåg att detta var nyckeln till entropiproblemet. Varje gång ett svart hål sväljer Materia, verkar dess entropi gå vilse, och samtidigt växer dess händelsehorisont., Så Bekenstein föreslog, vad händer om – för att bevara den andra lagen-är horisontens område i sig ett mått på entropi?

Hawking ogillade omedelbart tanken och var arg på att hans eget arbete hade använts till stöd för ett koncept som var så bristfälligt. Med entropi kommer värme, men det svarta hålet kunde inte utstråla värme-ingenting kan undkomma sitt drag av tyngdkraften. Under en paus från föreläsningarna kom Hawking tillsammans med kollegorna Brandon Carter, som också studerade under Sciama och James Bardeen, vid University of Washington och konfronterade Bekenstein.,

oenigheten störde Bekenstein. ”Dessa tre var äldre människor. Jag var precis utanför min doktorsexamen. Du oroar dig om du bara är dum och dessa killar vet sanningen, ” minns han.

tillbaka i Cambridge, Hawking anges för att bevisa Bekenstein fel. Istället upptäckte han den exakta formen av det matematiska förhållandet mellan entropi och det svarta hålets horisont. I stället för att förstöra idén hade han bekräftat det. Det var Hawkings största genombrott.,

Hawking strålning

Hawking nu anammat tanken att termodynamik spelade en roll i svarta hål. Allt som har entropi, motiverade han, har också en temperatur-och allt som har en temperatur kan utstråla.

hans ursprungliga misstag, Hawking insåg, var bara med tanke på allmän relativitet, som säger att ingenting – inga partiklar, ingen värme – kan undkomma greppet om ett svart hål. Det förändras när kvantmekanik spelar in., Enligt kvantmekanik uppträder flyktiga par partiklar och antipartiklar ständigt ut ur tomt utrymme, bara för att förinta och försvinna i ett ögonblick. När detta händer i närheten av en händelsehorisont kan ett partikel-antipartikelpar separeras – man faller bakom horisonten medan man flyr och lämnar dem för alltid oförmögna att träffas och förinta. De föräldralösa partiklarna strömmar bort från det svarta hålets kant som strålning. Slumpmässigheten i kvantskapandet blir slumpmässigheten av värme.,

”Jag tror att de flesta fysiker skulle hålla med om att Hawkings största bidrag är förutsägelsen att svarta hål avger strålning”, säger Sean Carroll, en teoretisk fysiker vid California Institute of Technology. ”Medan vi fortfarande inte har experimentell bekräftelse på att Hawkings förutsägelse är sant, tror nästan alla experter att han hade rätt.”

experiment för att testa Hawkings förutsägelse är så svåra eftersom ju mer massiva ett svart hål är desto lägre är temperaturen., För ett stort svart hål – de snälla astronomerna kan studera med ett teleskop – strålningstemperaturen är för obetydlig för att mäta. Som Hawking själv ofta noterade var det av den anledningen att han aldrig tilldelades Nobelpriset. Ändå var förutsägelsen tillräcklig för att säkra honom en utmärkt plats i vetenskapens annaler, och kvantpartiklarna som strömmar från det svarta hålets kant skulle för alltid vara kända som Hawking strålning.

vissa har föreslagit att de borde kallas Bekenstein-Hawking strålning på ett lämpligare sätt, men Bekenstein själv avvisar detta., ”Entropin av ett svart hål kallas Bekenstein-Hawking entropi, vilket jag tycker är bra. Jag skrev ner det först, Hawking hittade det numeriska värdet av konstanten, så tillsammans hittade vi formeln som den är idag. Strålningen var Hawkings verk. Jag visste inte hur ett svart hål kunde stråla ut. Hawking tog fram det mycket tydligt. Så det borde kallas Hawking strålning.”

teori om allt

Bekenstein-Hawking entropi ekvation är den som Hawking ombedd att ha graverat på sin gravsten., Det representerar den ultimata mash-up av fysiska discipliner eftersom det innehåller Newtons konstant, som tydligt hänför sig till gravitationen; Plancks konstant, som förråder kvantmekanik på spel; ljusets hastighet, talisman av Einsteins relativitet; och Boltzmann-konstanten, termodynamikens herald.

närvaron av dessa olika konstanter antydde en teori om allt, där all fysik är förenad. Dessutom bekräftade det starkt Hawkings ursprungliga känsla att förstå svarta hål skulle vara nyckeln till att låsa upp den djupare teorin.,

Hawkings genombrott kan ha löst entropiproblemet, men det väckte ett ännu svårare problem i sin kölvatten. Om svarta hål kan utstråla, kommer de så småningom att förångas och försvinna. Så vad händer med all information som föll i? Försvinner den också? Om så är fallet kommer det att bryta mot en central grundsats av kvantmekanik. Å andra sidan, om det flyr från det svarta hålet, kommer det att bryta mot Einsteins relativitetsteori. Med upptäckten av svart hål strålning, Hawking hade grop de ultimata fysikens lagar mot varandra. Black hole information loss paradox hade fötts.,

Hawking satsade sin position i ett annat banbrytande och ännu mer omtvistat papper med titeln uppdelning av förutsägbarhet i gravitationskollaps, publicerad i fysisk granskning d i 1976. Han hävdade att när ett svart hål utstrålar sin massa, tar det all sin information med det – trots att kvantmekanik uttryckligen förbjuder informationsförlust. Snart skulle andra fysiker välja sidor, för eller emot denna idé, i en debatt som fortsätter till denna dag. Faktum är att många känner att informationsförlust är det mest pressande hindret för att förstå kvantgravitation.,

”Hawkings 1976-argument att svarta hål förlorar information är en stor prestation, kanske en av de mest följdmässiga upptäckterna på den teoretiska sidan av fysiken sedan ämnet uppfanns”, säger Raphael Bousso från University of California, Berkeley.

koncession

i slutet av 1990-talet hade resultaten från strängteorin de flesta teoretiska fysiker övertygat om att Hawking hade fel om informationsförlust, men Hawking, känd för sin envishet, grävde i hans klackar. Det var inte förrän 2004 som han skulle ändra sig., Och han gjorde det med känsla – dramatiskt dyker upp på en konferens i Dublin och tillkännager sin uppdaterade vy: svarta hål kan inte förlora information.

idag har dock en ny paradox som kallas brandväggen kastat allt i tvivel (se” Hawkings paradox”, nedan). Det är uppenbart att frågan Hawking upp är kärnan i strävan efter kvantgravitation.

”svart hålstrålning väcker allvarliga pussel som vi fortfarande arbetar mycket hårt för att förstå”, säger Carroll., ”Det är rättvist att säga att Hawking strålning är den enskilt största ledtråden vi har till den ultimata avstämningen av kvantmekanik och gravitation, förmodligen den största utmaningen mot teoretisk fysik idag.”

Hawkings arv, säger Bousso, kommer att”ha satt fingret på den viktigaste svårigheten i sökandet efter en teori om allt”.

Hawking fortsatte att tänja på gränserna för teoretisk fysik i en till synes omöjlig takt för resten av sitt liv., Han gjorde viktiga inroader för att förstå hur kvantmekanik gäller för universum som helhet, vilket ledde vägen inom det område som kallas kvantkosmologi. Hans progressiva sjukdom drev honom att ta itu med problem på nya sätt, vilket bidrog till hans anmärkningsvärda intuition för hans ämne. När han förlorade förmågan att skriva ut långa, komplicerade ekvationer hittade Hawking nya och uppfinningsrika metoder för att lösa problem i huvudet, vanligtvis genom att reimagining dem i geometrisk form. Men, som Einstein före honom, producerade Hawking aldrig något lika revolutionärt som hans tidiga arbete.,

”Hawkings mest inflytelserika arbete gjordes på 1970-talet, när han var yngre”, säger Carroll, ” men det är helt standard även för fysiker som inte belastas med en försvagande neuronsjukdom.”

Hawking superstjärnan

NASA

under tiden, publiceringen av en kort historia av tid slungades Hawking till kulturell stjärnstatus och gav ett nytt ansikte till teoretisk fysik. Han verkade aldrig bry sig. ”Framför kameran spelade Hawking karaktären Hawking., Han verkade spela med sin kulturella status, säger Hélène Mialet, en antropolog från University of California, Berkeley, som uppvaktade kontrovers i 2012 med publiceringen av hennes bok Hawking Incorporated. I det undersökte hon hur folket runt Hawking hjälpte honom att bygga och behålla sin offentliga bild.

den offentliga bilden gjorde utan tvekan hans liv enklare än det annars kunde ha varit. Som Hawkings sjukdom fortskred, gav teknologer gärna alltmer komplicerade maskiner för att tillåta honom att kommunicera., Detta, i sin tur, låt honom fortsätta att göra det som han i slutändan bör komma ihåg: hans vetenskap.

”Stephen Hawking har gjort mer för att främja vår förståelse av gravitation än någon sedan Einstein”, säger Carroll. ”Han var en världsledande teoretisk fysiker, helt klart den bästa i världen för sin tid bland dem som arbetar vid korsningen av gravitation och kvantmekanik, och han gjorde allt inför en fruktansvärd sjukdom. Han är en inspirerande figur, och historien kommer säkert att komma ihåg honom på det sättet.,”

Hawking ’ s paradox

Under 2012, fyra fysiker vid University of California, Santa Barbara – Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski och James Sully, tillsammans kända av fysikerna som AMPS – chockade fysik gemenskapen med resultaten av ett tankeexperiment.

När par av partiklar och antipartiklar Leker nära ett svart håls händelsehorisont delar varje par en anslutning som kallas entanglement., Men vad händer med den här länken och den information den innehar när ett av paret faller in och lämnar sin tvilling för att bli en partikel av Hawking strålning (se huvudhistoria)?

en tankeskola hävdar att informationen bevaras när hålet avdunstar och att det placeras i subtila korrelationer bland dessa partiklar av Hawking strålning.

men AMPS frågade, hur ser det ut för observatörer inom och utanför det svarta hålet? Ange Alice och Bob.,

enligt Bob, som förblir utanför det svarta hålet, har den partikeln separerats från sin antipartikelpartner vid horisonten. För att bevara information måste den bli intrasslad med en annan partikel av Hawking strålning.

men vad händer ur Alice synvinkel, som faller in i det svarta hålet? Allmän relativitet säger att för en fritt fallande observatör försvinner gravitationen, så hon ser inte händelsehorisonten. Enligt Alice är partikeln i fråga intrasslad med sin antipartikelpartner, eftersom det inte finns någon horisont att separera dem., Paradoxen är född.

så vem har rätt? Bob eller Alice? Om det är Bob, kommer Alice inte att stöta på tomt utrymme vid horisonten som allmänna relativitetsanspråk. Istället kommer hon att brännas till en skarp av en vägg av Hawking strålning-en brandvägg. Om det är Alice som har rätt, kommer informationen att gå förlorad, bryta en grundläggande regel för kvantmekanik. ”Den livliga kontroversen kring Hawkings paradox återspeglar de insatser som hans arbete har höjt: i kvantifiering av gravitationen, vad ger? Och hur mycket?”säger Rafael Bousso av University of California, Berkeley., Svaret väntar oss i teorin om allt. Amanda Gefter

artikeln ändrad den 14 mars 2018

Vi har korrigerat namn och antal Hawking barn

mer om dessa ämnen:

  • Stephen Hawking

Written by 

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *