Stephen Hawking je svakako najpoznatiji moderni fizičar, prije svega zbog svog bestselera Kratka povijest vremena u kojem je složene i kontraintuitivne koncepte kvatne fizike i teorije relativnosti približio širokoj javnosti, a dijelom i zbog svoje nevjerojatne otpornosti na tešku bolest, no koliki je njegov stvarni doprinos teoretskoj fizici? U anketama o najvećim fizičarama svih vremena pa čak i onim o najvećim fizičarima 20. stoljeća, Hawking je redovito bio na začelju, iza velikana poput Einsteina, Plancka, Marie Curie, Nielsa Bohra... Čak nikada nije dobio niti Nobelovu nagradu. Hawking nije otkrio crne rupe, nije postavio teoriju Velikog praska, kvantnu teoriju ili teoriju relativnosti.
Ne, on je napravio mnogo više, složni su fizičari.
Vrijeme velikih umova
U 20. stoljeću, kao nikada prije, živjelo je mnogo velikana teoretske fizike koji su postavili teorije koje su definirale fundamentalne principe svijeta, no tek je Hawking uspio povezati potpuno različita polja fizike i matematike - gravitaciju, kozmologiju, kvantnu teoriju, termodinamiku i teoriju informacije, ističe BBC u članku (ne manje važno), napisanom još u siječnju 2016.
Crne rupe
Newton je gravitaciju vidio kao silu koje kroz prostor širi neko tijelo, nalik na magnetizam. Prema općoj teoriji relativnosti, gravitacija je zapravo zakrivljenje prostorno vremenskog kontinuuma - tijelo određene mase radi udubinu i potom tijela kruže po rubu nastale udubine, poput kuglice na kotaču ruleta. Što je veća masa, to je veća udubina.
No iz jednadžbi je vrebalo čudovište. Iz matematike je proizlazilo da bi se zvijezda dovoljno velike mase mogla urušiti sama u sebe, u beskonačno malu točku beskonačno velike gustoće.
Ideju crne rupe prvi su 1939. predložili Robert Oppenheimer (koji će kasnije postati poznat kao otac atomske bombe) i njegov student Hartland Snyder. No fizičari su to doživljavali kao matematičku anomaliju i nisu htjeli povjerovati da nešto toliko bizarno zaista i postoji. Tek 1959. kad je Hawking već studirao, za crne rupe ozbiljno su se zainteresirali Britanac Roger Penrose, Bjelorus Jakov Zeldovič i John Wheeler s američkog Princetona koji je, navodno, crnim rupama i dao njihovo ime.
I tada dolazi do izražaja Hawkingov genij. Mladog doktroranta, kojem je nedavno dijagnosticirana teška bolest i koji je morao savladati mnogo zaostataka iz matematike, privukla je neobična teorija. Već tada ju je u svom umu povezao s drugom, tada još prilično osporavanom, teorijom Velikog praska. Ukratko, ustvrdio je kako je Veliki prasak zapravo obrnuto urušavanje u crnu rupu. Ideju je razradio i 1970. s Penroseom objavio rad u kojem ističu kako iz Opće teorije relativnosti proizlazi da je svemir morao početi u jednoj točki.
Drugi zakon termodinamike
This handout image received on February 27, 2017 from Sheffield University shows an artists rendering of the tidal disruption event in F01004-2237, which is 1.7 billion light years from Earth. The release of gravitational energy as the debris of the star is accreted by the black hole leads to a flare in the optical light of the galaxy. Supermassive black holes rip up and devour hapless stars a hundred times more frequently than thought, according to research released on February 27, 2017. Previously, scientists had calculated that such cosmic cannibalism was extremely rare, happening once every 10,000 to 100,000 years per galaxy. / AFP PHOTO / SHEFFIELD UNIVERSITY / MARK A. GARLICK / RESTRICTED TO EDITORIAL USE - MANDATORY CREDIT "AFP PHOTO / Sheffield University / Mark A. GARLICK" - NO MARKETING NO ADVERTISING CAMPAIGNS - DISTRIBUTED AS A SERVICE TO CLIENTS
No za briljatnog fizičara, kojemu je bolest sve više uznapredovala, to je bio tek početak. Jedne večeri, dok je mukotrpno ulazio u krevet, sinula mu je ideja kako crna rupa može samo rasti. Zvuči logično, no Hawking je otišao korak dalje i dokazao kako se crna rupa ne može ni rascijepiti, primjerice sudarom dvaju crnih rupa. A tada radi pravi skok i uspoređuje crne rupe s drugom fizikalnom pojavom koja može samo rasti - entropijom. Ukratko, prema drugom zakonu termodinamike, kaos se samo uvećava, a mjera tog kaosa je entropija.
Mladi fizičar Jacob Bekenstein je mislio da je ovo mnogo više od samo zgodne analogije i rekao da bi površina događajnog horizonta mogla zapravo biti mjera entropije crne rupe. No to je zvučalo potpuno pogrešnim - ako bi crna rupa imala entropiju značilo bi da mora imati i temperaturu, a ako ima temperaturu znači da mora zračiti, što po definiciji ne bi smjela s obzirom na to da čak ni svjetlost ne može pobjeći njenoj gravitaciji. Svi fizičari, čak i Bekenstein mislili su da ta ideja nema smisla jer bi vodila nizu paradoksa.
No kada je Hawking htio i dokazati da je mladi student u krivu, iznenadio je i samog sebe. Ispostavilo se da su crne rupe i entropija itekako povezane. Da bi to dokazao, spojio je dvije teorije koje su u svojoj biti nespojive - kvantnu teoriju i opću teoriju relativnosti. Kvantna teorija sasvim dobro tumači atome i njihove dijelove, prikazujući svijet koji se sastoji od malih nakupina materije i energije. S druge strane, opća teoprija relavnosti koja savršeno objašnjava materiju i energiju u kozmičkim razmjerima, tumači da je svemir kontinuiran i "gladak".
Teorija svega
Povezivanje tih dviju kontradiktornih teorija svojevrsni je sveti gral teoretske fizike. Hawking nije tvrdio da je složio tu Teoriju svega, ali njegova analiza crnih rupa povezala je fiziku malog i velikog. Prema kvantnoj teoriji, prazan prostor je prazan samo u prosjeku - cijelo vrijeme spontani nastaju parovi čestica materije i antimaterije; jedna čestica ima pozitivnu, druga negativnu energiju i gotovo se trenutno ponište tako da na kraju nikakva energija se ne stvara. No Hawking je shvatio da te se te čestice neće poništiti ako nastanu tik uz crnu rupu. Povremeno, jedna od čestica blizanaca pala bi u crnu rupu, dok bi pozitivni parnjak otišao u svemir.
Posljedice te teorije uzdrmale su svijet teoretske fizike. Ne samo da crne rupe nisu crne nego i zrače. S obzirom na to da u crne rupe upadaju čestice negativne energije, crna rupa s vremenom gubi masu i nestaje. Sve to Hawking je napravio dok su crne rupe bile samo teorija - tek 1971. počelo se nagađati kako bi Cygnus X-1 mogao biti crna rupa, a posredno je to dokazano tek 1990.
Veliki prasak
Hawkingova teorija o crnim rupama uvelike je promijenila ne samo poimanje svemira i crnih rupa, nego i samog nastanka svemira. Veliki fizičar ustvrdio je kako su se neposredno nakon Velikog praska, razmjerno male količine materije urušile u minijaturne crne rupe. Svaka bi imala masu milijardu tona (zvuči mnogo, no to je daleko manje od mase Zemlje) i bila manja od atoma. S obzirom na to da je temperatura crne rupe veća što je površina događajnog horizonta manja, bile bi ekstremno vruće, masu bi gubile brzo, a na kraju eksplodirale snagom milijuna hidrogenskih bombi.
Rad o iskonskim mini crnim rupama objavio je u časopisu Nature 1974. i ponovo uzdrmao svijet. Na novi Hawkingov šok nije trebalo dugo čekati. Nakon sedam godina objavio je rad u kojem opisuje još jednu uznemirujuću posljedicu nestajanja crnih rupa - s njima nestaju i informacije.
Svaka čestica nosi i određenu informaciju, primjerice o masi i poziciji te čestice. Kada foton upadne u crnu rupu, informacije koje je nosio ostaju zaključane u crnoj rupi.
Gdje nestaju informacije?
No što se događa s tim informacijama kada crna rupa ispari? Dvije su mogućnosti - ili se ta informacija nekako kodira u Hawkingovo zračenje ili zauvijek nestaje. Hawking je smatrao da zauvijek nestaje. Posljedice takvog nestajanja informacija bile bi prilično mračne.
Uglavnom, volimo razmišljati kako uzroci nastaju prije posljedica. U teoriji, možemo rekonstruirati prošlost svake čestice ako znamo njeno trenutno stanje. Prilično pojednostavljeno, ako vidimo tri fotona kako se se udaljavaju, možemo izračunati ako su nekada bili u istoj točki. No takva rekonstrukcija postaje nemoguća ako crna rupa guta i zauvijek uništava informacije. Samim time, ideja kauzalnosti pada u vodu. Leonard Susskind žestoko se usprotivio toj ideji, i rasprava je trajala 20 godina. Na kraju, Hawking je 2004. priznao da je bio u krivu i da se informacija vraća u svemir.
To nije bila jedina Hawkingova pogreška. Često se vodio intuicijom zahvaljujući kojoj je povezivao teorije koje su drugima bile nespojive, no ponekad je došao do prilično pogrešnih zaključaka, primjerice kada se kladio da se nikada neće eksperimentalno izmjeriti Higgsov bozon.
Hawking zasjenio vlastita dostignuća
Otkako je objavio Kratku povijest vremena, Hawking je postao znanstvena superzvijezda i baš sve što je govorio preko svojeg sintetizatora glasa, bilo da je pričao u nepostojanju Boga, prijetnji izvanzemaljaca, umjetnoj inteligenciji ili genetičkom inženjernigu, mediji su zdušno prenosili. Njegovu znanost dodatno je zasjenila priča o čovjeku kojemu su s 2o-ak godina rekli da ima još samo dvije godine života, a unatoč svim izgledima doživio je duboku starost.
No koliko god njegova životna priča u uspjehu unatoč svim preprekama bila poticajna, Hawking je prije svega fizičar. Kada je počeo studirati crne rupe bile su tek matematička anomalija koja je ljutila fizičare, Teorija velikog praska tek jedna od predloženih teorija o nastanku svijeta, a relativnost i kvantna mehanika riječi za koje je malo tko izvan sveučilišta pokazivao ikakav interes. Kraj života dočekao je u svijetu u kojem se crne rupe i teorija Velikog praska uče u školama, a fizičari su zvijezde sitcoma.
Možda se rijetko nalazio na listama najznačajnijih fizičara 20. stoljeća, ali svakako će biti pri vrhu onih 21. stoljeća.
