A március 14-én váratlanul, a családja szerint békésen eltávozott Stephen Hawking azon kevés tudósok közé tartozott, akik már életükben (egyebek mellett popkulturális) legendává váltak. Ehhez éppúgy hozzájárult páratlan elméleti fizikai teljesítménye, mint rendkívül sikeres és hatásos tudomány-népszerűsítő tevékenysége. Sokoldalú véleményformálóként szinte mindenről – az angol futballválogatott szereplésétől a politikáig – megvolt a nyilvánosan is képviselt álláspontja. És azt se felejtsük el, hogy a világ közvéleménye afféle hőstörténetként élte meg Hawking életét, aki rettenetes betegségével megküzdve (lásd keretes írásunkat), orvosai jóslatára rácáfolva érte el mindazt, amire még sokáig hálásan emlékezhetünk.
Lyukak az elméletben
A kissé különc családból származó Hawking a lehető legjobb időpontban került be a tudomány főáramába. Az Oxfordban fizikából diplomázó, ám a kozmológiai doktorit már Cambridge-ben abszolváló fiatal fizikus a 90-es években éppen azon viták kellős közepében találta magát, melyek a világegyetem koráról, kiterjedéséről, időbeli végességéről szóltak. Kezdetben maga is Fred Hoyle, a jeles csillagász és kozmológus (és megannyi ismeretterjesztő kötet szerzője) elképzelését vallotta: a világ állandó állapotú (Hoyle kifejezésével steady state), azaz nincs sem kezdete, sem vége. Az ellentábor, amely mind erősebb bizonyítékokra (például a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás felfedezésére) támaszkodva az univerzum kezdetének robbanásos, kataklizmikus elméletét vallotta, lassan azért fölénybe került. Hoyle-nak csak az a dicsőség maradt, hogy ő ragaszthatta rá a teóriára az eredetileg gúnyosnak szánt címkét: big bang theory, azaz ősrobbanás-elmélet.
Hawking idővel maga is ezt vallotta, és mindent meg is tett az elmélet igazolására: szerzőtársával, Roger Penrose matematikus-fizikussal azt igyekezett bizonyítani, hogyan keletkezhet anyag látszólag a semmiből. Ehhez Penrose kutatásai szolgáltak alapul, melyek szerint a gravitációs téridőt leíró modellben törvényszerűen lépnek fel szingularitások, azaz olyan helyek, ahol látszólag végtelen mennyiségek tűnnek fel. Pontosan ilyen kitüntetett pontok a téridőben az Einstein által már megjósolt fekete lyukak, ahol Penrose szerint anyag tűnhet el úgyszólván a semmibe. Hawking úgy gondolta, hogy a Penrose által a szingularitások leírására megalkotott matematikai apparátus segítségével könnyedén kiszámolható, hogy létezik a fekete lyukhoz képest fordított szingularitás, azaz olyan pont, ahol meg éppen a semmiből tör elő anyag, pontosan úgy, ahogy azt az ősrobbanás-elmélet állítja. Közös eredményük, a Hawking–Penrose-tétel azt állítja, hogy az Einstein által az általános relativitáselmélet keretében kidolgozott, a gravitáció nemeuklideszi geometria szerinti leírására szolgáló téregyenleteknek nincs olyan megoldása, amely ne tartalmazna szingularitást, azaz ne tenné lehetővé a fekete lyukak létét, illetve ne engedné meg a fizikai világ ősrobbanás általi keletkezését. Hawking rájött, hogy Penrose eredeti elméletében az idő irányának megfordítása tágulást jelent, ami az ősrobbanás után jellemzi univerzumunkat. Az a látszólagos ellentét, hogy az ősrobbanás előtt a világ egy atomnál is kisebb pont volt, amiből a tágulás után hatalmas kozmikus objektumok, például csillagok keletkeztek, feloldható, ha feltételezzük, hogy a fizika törvényszerűségei a két állapotban alapvetően eltérnek.
Hawking-sugárzás
A fekete lyukak később is kulcsfontosságú szerepet játszottak kutatásaiban: eme egzotikus és extrém körülményeket teremtő objektumokról úgy vélte, hogy nem csupán a kozmológiai rejtélyekre kínálnak megoldást, de titkaik megfejtése magában rejti a világegyetem leírását szolgáló, egymással nem mindig összeérő elméletek egységesítésének kulcsát is. A fekete lyukakról az eredeti, einsteini megfontolások alapján is sokáig azt feltételezték, hogy ezek afféle kozmikus halálcsapdák, és meg kell hagyni, a manapság róluk szóló leírások is csak kismértékben módosítottak ezen az összképen. Mivel ezek középpontjában (a szingularitásban) a gravitációs vonzerő elképzelhetetlenül óriásira nő, így egy bizonyos határon (az eseményhorizonton) belül minden anyagot és a sugárzást magukba szippantanak, így onnan sem elektromágneses sugárzás (például látható fény), sem anyag el nem távozhat. Hawking kalkulációi és elméleti megfontolások alapján hamarosan arra jutott, hogy mindez nem teljesen áll meg. Az általa feltételezett, róla elnevezett, de mind ez idáig – részben a jelenség természete miatt – még soha nem észlelt, mérésekkel nem igazolt Hawking-sugárzás a fekete lyukak eseményhorizontjának közelében lép fel, s emiatt a fekete lyuk tömeget és energiát veszít, azaz lassan „párolog”. Hawking érvei szerint a látszólag üres tér a kvantummechanika törvényei szerint soha nem teljesen üres, hiszen benne részecske-antirészecske párok keletkezhetnek, amelyek azonnal újra megsemmisülnek. Márpedig ez a párkeltés nem olyan, mint amilyet fizikai kísérleteinkben megszoktunk, ahol van elég energia: itt a pár összenergiája zérus, ami azt eredményezi, hogy az antirészecskéknek negatív energiájúaknak kell lenniük, ezért partnerüktől nem távolodhatnak el túlságosan. A fekete lyuk környékén azonban a nagy gravitációs energia miatt nagyon nagy lesz a részecskék energiája, és így bekövetkezhet, hogy miközben a negatív energiájú partnere belehullik a fekete lyukba, a pozitív energiájú részecske el tud távolodni attól – e kilépő részek keltik a Hawking-sugárzást, ami nagyon nagy energiájú gamma-sugárzásként jelentkezik.
A részecskepár fekete lyukba zuhanó fele az ott található, számunkra teljesen ismeretlen és extrém körülmények között létező, igen sűrű rendszerben azonnal talál magának ugyanolyan kvantumszámokkal jellemezhető partnert, mint amilyen az eltávozott párja volt, és azzal egyesülve végre mindketten megsemmisülhetnek. Ennek következményeként viszont a fekete lyuk energiája az eltávozott részecskével csökkenni fog. Ráadásul a nagyobb lyukak sokkal lassúbb ütemben vesztik el az energiájukat, mint a kisebbek: egy igen apró, mindössze 10–27 méter sugarú, egy kilogramm tömegű fekete lyuk anyaga szinte pillanatszerűen, alig 10–21 másodperc alatt teljesen eltűnik – ez azért eléggé kemény határt szab a mini fekete lyukak létezésének, amelyek váratlan és pusztító felbukkanásától sokan komolyan tartanak.
A legnagyobb melléfogás
A fizikus kutatók között állandó vita tárgya, hogy ez a sugárzás képes-e információt közölni magáról a rendszerről, amelyből eltávozik. Hawking még fogadást is kötött elméleti fizikus kollégáival (John Preskill-lel és Kip Thorne-nal) arról, hogy valóban végleg elveszhet-e információ a fekete lyukban (másként fogalmazva a lyuk nyom nélkül tüntethet-e el anyagot), úgy, ahogyan azt eredetileg vélte. Bár a fogadást Hawking elvesztette (ezt egy 2004-es dublini konferencián ismerte be), a 2000-es években több megoldást is kidolgozott: részben feltételezte, hogy a fekete lyuknak több, egymástól független topológiája létezhet, másrészt azt is felhozta, hogy az univerzumnak (Hawking visszatérő gondolata szerint) többfajta múltja is létezik, benne olyan is, ahol megtörténik az információvesztés, de olyan is, amelyben nem. Végül 2014-ben kijelentette, hogy a fekete lyukakban bekövetkező információvesztés a legnagyobb melléfogás volt tudományos karrierje során – érdemes e beismerést megbecsülnünk, hiszen viszonylag csekély számú példát találunk ilyesmire a tudománytörténetben.
Hawking számára az idővel kapcsolatos problémák mindig kitüntetett jelentőséggel bírtak: könyveiben és előadásaiban is fontos fejezetet képez annak megvitatása, hogy vajon megfordítható-e az idő iránya (nyila), aminek számos következménye lenne. Bár Hawking lehetségesnek vélte az idő irányának megfordulását és a tér olyan mértékű meghajlítását, ami lehetővé tenné az időutazást, ám ezt a felszabaduló óriási energiák miatt gyakorlatilag kivitelezhetetlennek tartotta. Az idő nyilairól szóló okfejtéseinek fontos részét adta az is, hogy amennyiben az univerzum tágulása megállna és idővel összeomlana, úgy onnan kezdve az idő is visszafelé rohanna.
A mindenség elmélete
Hawking nézetei a világról más tekintetben is meglehetősen különlegesek voltak. Például a kvantummechanika leginkább sci-fikből ismerős sok világ hipotézisét vallotta, azaz valamennyi lehetséges alternatív múlt és jövő egyben valóságos is, és valamennyi együtt reprezentálja univerzumunkat. Abban azonban biztos volt, hogy a kozmológia nagy problémáit csak egy egyesített elmélet (a „mindenség elmélete”) tudja megoldani. Ez az alapvető kölcsönhatások közül hármat (erős, gyenge, elektromágneses) leíró kvantummechanika és a negyediket, a gravitációt leíró általános relativitáselmélet egyesítése lenne – ennek megszületését azonban sajnos már nem érhette meg.
Hawking minden kortársánál nagyobb erőfeszítéseket tett arra, hogy elgondolásait és a modern elméleti fizika problémáit a szélesebb, nem is mindig természettudományos előképzettségű nagyközönség is megértse. 1988-ban jelent meg Az idő rövid története (A Brief History of Time), amely laikusok számára magyarázza el a téridő elméletét – a könyv négy évig szerepelt a brit Sunday Times bestsellerlistájának élmezőnyében, több mint negyven nyelvre fordították le, és világszerte 30 millió példány kelt el belőle. Utóbb ennek átdolgozott és kibővített változataként jelent meg Az idő még rövidebb története (A Briefer History of Time), de bízvást ajánlhatjuk a magyarul A mindenség elmélete címen kiadott előadásait is. Jellemző, hogy ugyanezen a címen (The Theory of Everything, 2014) még romantikus életrajzi film is készült Hawkingról, amelyben Eddie Redmayne játszotta a tudóst.
| Székhez kötve Hawkingnál 21 éves korában degeneratív idegrendszeri elváltozást (Lou Gehrig-kórt) állapítottak meg, amelynek következtében a mozgatóidegek lassan elsorvadnak. Ritka, hogy e betegséggel valaki tíz évnél tovább éljen, ő azonban több mint fél évszázaddal élte túl a neki jósolt két-három évet. Hawking a kezdeti elkeseredettség után igyekezett előnyére fordítani az állapotát: úgy vélte, hogy betegsége is hozzájárult tudományos sikereihez – korábban unalmasnak találta a napjait, de a diagnózis után ráébredt, hogy vannak dolgok, amelyekért érdemes élnie. Az évek során mozgás- és beszédképessége rohamosan gyengülni kezdett: kezdetben bottal járt, de már 1969-ben tolószékbe kényszerült. Folyamatos állapotromlása miatt 1974-ben már képtelen volt önállóan enni. 1985-ben egy genfi utazás során tüdőgyulladást kapott, és a szervezete összeomlott: az életét megmentő gégemetszés miatt elveszítette a beszédképességét is. Végül egy Walt Woltosz által fejlesztett gép segítségével tudott kommunikálni: az épp csak minimális ujjmozgásra képes Hawking egyetlen kapcsoló mozgatásával tudott szöveget szerkeszteni, és egy másik készülék segítségével azokat kimondatni, így a kommunikációja még gördülékenyebb is lett, mint a beavatkozás előtt volt. Kutatómunkájában számos szakember segítette, a számításait pedig – útmutatásai alapján – egy végzős hallgatókból álló csoport végezte el. |
