Odlazak znanstvene ikone

Već dugo vremena prijatelji i znanci nisu me obasipali porukama i pitanjima kao tog 14. ožujka ove (2018) godine, kad je preminuo jedan od najpoznatijih fizičara našega vremena, Stephen Hawking. Bio je simbol borbe protiv teške bolesti (amiotrofične lateralne skleroze – ALS), koja ga je veći dio života prikovala uz invalidska kolica. Uvijek je imao nešto reći i toga je bio svjestan premda je zbog bolesti izgubio sposobnost govora. Preminuo je na dan broja pi (3,14) i na dan kad je rođen Albert Einstein.

Stephen Hawking bio je jedan od najpoznatijih fizičara našeg vremena

Stephen William Hawking rođen je 8. siječnja 1942. u Oxfordu, Engleska, na tristotu obljetnicu Galileijeve smrti. Stephenovi roditelji bili su intelektualci. Majka Isobel studirala je na Oxfordu tridesetih godina prošloga stoljeća, kad je malo žena to moglo, a otac Frank na Oxfordu je završio medicinu te je bio cijenjen istraživač tropskih bolesti. Otac je želio da Stephen studira medicinu, ali majka je uočila njegovu strast za astronomijom pa su često u ljetnim večerima u vrtu promatrali zvijezde. U osnovnoj i srednjoj školi nije briljirao, ali su učitelji već tada uočili da je bistar. U to doba zanimale su ga više aktivnosti izvan škole pa je tako zajedno s prijateljima konstruirao od recikliranih dijelova računalo koje je moglo izvršavati elementarne računske operacije. Sa sedamnaest godina upisao je fiziku na Sveučilištu Oxford uglavnom zato što tada na tom sveučilištu nije bilo studija matematike, koju je zapravo želio studirati. Godine 1962. diplomirao je na Oxfordu s velikim pohvalama, a poslije je izračunao da se dnevno učenju posvetio u prosjeku samo oko sat vremena. Nakon toga upisao je poslijediplomski studij iz kozmologije na Sveučilištu Cambridge, a 1979. na tom je sveučilištu preuzeo profesorsko mjesto na Lucasovoj katedri, gdje su prije njega predavali velikani poput Isaaca Newtona i Paula Diraca. Već 1974. (s 32 godine) Hawking je postao članom Kraljevskog društva iz Londona, jednog od najstarijih znanstvenih udruženja na svijetu.  

Otkrića o crnim rupama  

Na proslavi Nove godine 1963. upoznao je svoju prvu suprugu Jane, malo prije nego mu je dijagnosticiran ALS. Vjenčali su se 1965. i na svijet donijeli troje djece. Godine 1990. Hawking je ostavio Jane da bi otišao sa svojom njegovateljicom Elaine Mason, s kojom se vjenčao 1995. Godine 2006. razveo se od Elaine i u godinama koje su slijedile ponovno povezao s Jane i svojom djecom.

Bolest mu je na neki način pomogla da postane poznati znanstvenik. Prije dijagnoze nije se baš usredotočio na studij, a u bolnici je odlučio da vrijeme koje mu je ostalo iskoristi za učenje te napravi nešto važno u svijetu. Liječnici su mu u početku davali tek nekoliko godina života, ali je bolest usporila napredovanje i omogućila mu bavljenje njegovom omiljenom kozmologijom. Od 1969. bio je u invalidskim kolicima, a 1985. izgubio je mogućnost govora. Njegovo stanje privuklo je pozornost programera iz Kalifornije, koji je razvio računalni program za govor upravljan pomacima glave i očiju. Nakon što je izgubio mogućnost kontrole u svim dijelovima tijela, govorom je upravljao s pomoću senzora prislonjena na lice.

Stephen Hawking postao je poznat 1974. po tome što je otkrio i pokazao da crne rupe mogu zračiti i da nisu toliko „crne“ kako se dotad smatralo. Crne rupe su nebeska tijela velike gustoće kojih je druga kozmička brzina veća od brzine svjetlosti, tako da svjetlost ostaje u njima zarobljena. Druga kozmička brzina je brzina oslobađanja koju tijelo treba razviti kako bi se i bez dodatne sile potiska moglo odvojiti od matičnoga nebeskog tijela. Iako je materija u središtu crne rupe koncentrirana na nepojmljivo malom prostoru, crne rupe rotiraju i imaju „veličinu“ koja ovisi o uhvaćenoj masi. Što je veća masa, to su veće crne rupe i dalji je tzv. horizont događaja, točka s koje svjetlost, kad u nju upadne, više ne može natrag. Supermasivna crna rupa, kao ona u središtu naše galaksije, hvata svjetlost na udaljenosti od 12,5 Mkm (12,5 milijuna kilometara). Kad bi naša Zemlja bila komprimirana u crnu rupu, imala bi promjer od 2 cm.

Anizotropije pozadinskog zračenja. Prosječna temperatura zračenja je 2,73 K, a boje prikazuju mikrokelvinska odstupanja od tog prosjeka

Nadalje, Hawking je uz uporabu kvantne mehanike u Općoj teoriji relativnosti pokazao da crne rupe osim što mogu zračiti mogu imati i temperaturu. Taj rad potaknuo je razvoj novih područja nazvanih „termodinamika crnih rupa“ i „kvantne mehanike u zakrivljenom četverodimenzionalnom (prostorvrijeme) prostoru“. Ta istraživanja idu u smjeru „kvantne gravitacije“ ili, još popularnije, u smjeru „teorije svega“ (engl. The Theory of Everything). Film s takvim naslovom snimljen je 2014, a prikazivao je život Stephena Hawkinga.

Paradoks o izgubljenoj informaciji

Sedamdesetih godina 20. stoljeća Hawking je dosta surađivao s Rogerom Penroseom, mladim kozmologom, koji se istaknuo istraživanjima o nastanku crnih rupa. Njih su dvojica dokazali u teoremu poslije nazvanu Hawking-Penroseov teorem da bi se Einsteinova opća teorija relativnosti trebala slomiti u nekoj točki (singularitet) prostorvremena pod nekim fizikalnim uvjetima. To je značilo da je svemir sa svim svojim vrućim zvijezdama i rotirajućim planetima nastao iz točke znatno manje od točke na kraju ove rečenice. Opća teorija relativnosti vrijedi i u ubrzanim sustavima, za razliku od specijalne teorije relativnosti, koja vrijedi samo za inercijalne sustave (koji miruju ili se gibaju stalnom brzinom).  

Hawking je objavio više od 150 znanstvenih radova, a imao je i radove u kojima objašnjava kako su se galaksije i skupine galaksija mogle stvoriti u ranom svemiru. Objašnjenje je zasnovano na malim fluktuacijama u ekstremno homogenu svemiru. Prvih nekoliko minuta nakon Velikog praska bilo je odlučujuće za formiranje našega svemira. U tom razdoblju dogodilo se razdvajanje izvorne jedinstvene sile na četiri temeljne kakve danas poznajemo, zatim izvanredno brzo širenje svemira (inflacija), a kratko potom i prvo stvaranje jezgara lakih elemenata poput deuterija i helija. Nakon tog razdoblja svemir je postao dosadan i 300.000 godina proveo u širenju i hlađenju. Atomske jezgre, elektroni i fotoni neprestano su se sudarali te su činili neprozirnu i gustu homogenu plazmu. Tek kad je temperatura pala na oko 3000 K, ionizacija je prestala jer fotoni više nisu imali dovoljno energije za nju pa su se elektroni i jezgre povezali u neutralne atome. Tada svemir postaje električki neutralan i proziran. Od tog trenutka fotoni se gibaju neometano i time čine kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje (CMB – Cosmic Microwave Background). Preciznim snimanjem tog zračenja dobila se slika koja pokazuje da CMB nije jednoličan, već u njemu postoje male temperaturne varijacije kao posljedica varijacija u gustoći materije, koja se u vrijeme nastanka CMB-a počela zgušnjavati u današnje galaksije.

Uz navedene radove poznato je Hawkingovo pitanje, odnosno paradoks o izgubljenoj informaciji u crnoj rupi. Tvrdnja je da ako crna rupa proguta neki objekt u svojoj blizini i eventualno ispari kroz Hawkingovo zračenje, informacija se o progutanom objektu izgubi. To je u kontradikciji s fundamentalnim zakonom fizike da bi informacija trebala biti očuvana i da se ne može izgubiti iz svemira, pa to pitanje čini paradoks.

Bez Nobelove nagrade  

Svjetsku je slavu Stephen Hawking postigao i pisanjem popularnoznanstvenih knjiga, a svakako je najpopularnija među njima Kratka povijest vremena objavljena prvi put 1988. Kratka informativna knjiga sadržava samo jednu formulu (E=mc²), ali daje pregled prostora, vremena i budućnosti, te je među čitateljima prepoznata kao osnove kozmologije za početnike. Knjiga je bila četiri godine na vrhu liste najprodavanijih knjiga prema London Sunday Timesu. Hawking je ukupno objavio petnaestak knjiga, a neke od popularnijih još su: Kraća povijest vremena i Veliki dizajn. U posljednjoj knjizi govori protiv vjerovanja da je Bog stvorio svijet. Hawking tvrdi da je Veliki prasak neizbježna posljedica zakona fizike i ništa više. Zbog toga što postoje zakoni kao gravitacija, svemir se može stvoriti ni iz čega, kaže Hawking. Nije međutim objasnio kako to da je zakon gravitacije ništa.

Pitanje koje se često postavlja glasi: „Ako je Hawking bio tako veliki znanstvenik, zašto nije dobio Nobelovu nagradu?“ Odgovor leži u činjenici da Hawkingovo zračenje nikada nije izmjereno iako je široko prihvaćeno. „Mini crne rupe“ traže i u eksperimentima na CERN-u, ali dosad nisu pronađene. Znanstvenici bi trebali dugo čekati da bi izmjerili Hawkingovo zračenje koje izlazi iz crne rupe i protumačili informaciju koju nosi. Mnogo je realističnije da bi neki potpisi crnih rupa mogli biti pronađeni u gravitacijskim valovima koje fizičari sada mogu detektirati detektorima kao Ligo, laserski interferometar za opažanje gravitacijskih valova.

Hawkingovi nastupi često su bili prožeti i humorom na vlastiti račun. Primjerice, bio je jako razočaran kad je pronađen Higgsov bozon pedesetak godina nakon što je postavljena teorija o mehanizmu s pomoću kojega čestice dobivaju masu. U svojem govoru u Muzeju znanosti u Londonu (Science Museum) rekao je: „Fizika bi bila mnogo zanimljivija da Higgsov bozon nije nađen jer bi natjerala znanstvenike da razviju alternativne teorije za problem mase. Osim toga kladio sam se s Gordonom Kaneom sa Sveučilišta Michigen da se Higgsova čestica neće naći i upravo sam izgubio 100 dolara.”

Za Maxa Tegmarka, profesora fizike na MIT-u, Hawking je bio jedan od najutjecajnijih znanstvenika svih vremena. Njih dvojica zajedno upozoravali su javnost na prijetnje nuklearnoga rata i potencijalne zamke umjetne inteligencije. Tegmark za Hawkinga tvrdi da se nije bojao razmišljati o velikim pitanjima. Mislio je da trebamo prestati bacati kocku i da nam je bolje početi planirati unaprijed kako bismo iskoristili ovu nevjerojatnu kozmičku priliku koju imamo.

Mirko Planinić profesor je na
Prirodoslovno-matematičkom fakultetu
Sveučilišta u Zagrebu