Stephen Hawking, de wereldberoemde theoretisch natuurkundige, overleed op 14 maart 2018. New Scientist blikt terug op zijn leven en carrière.
‘We zijn diep bedroefd dat onze geliefde vader vandaag is overleden’, stelden Hawkings kinderen Lucy, Robert en Tim op 14 maart 2018 in een verklaring. ‘Hij was een groot wetenschapper en buitengewone man wiens werk en legende nog vele jaren zullen blijven voortbestaan. Zijn moed en vasthoudendheid inspireerden samen met zijn genie en humor mensen over de hele wereld. Hij zei ooit: ‘Het universum zou niet veel voorstellen als het geen thuis bood aan de mensen van wie je houdt.’ We zullen hem eeuwig missen.’
Hawking heeft een iconische status als meest herkenbare wetenschapper van onze tijd. Van zijn beroemde boek A Brief History of Time (vertaald als Het heelal) zijn meer dan 10 miljoen exemplaren verkocht sinds het in 1998 gepubliceerd werd en is vertaald in meer dan 35 talen. Hij speelde een rol in programma’s zoals Star Trek: The Next Generation, The Simpsons en The Big Bang Theory. Zijn vroege leven vormde de basis voor de film The Theory of Everything; acteur Eddy Redmayne sleepte een Oscar in de wacht voor zijn vertolking van Hawking.
Belangrijkste ingrediënt
Hij deed regelmatig orakelachtige uitspraken over alles van tijdreizen tot buitenaards leven en van de politiek in het Midden-Oosten tot de gevaren van robotica. Hij had een charmant gevoel voor humor en een avontuurlijk karakter – menselijke eigenschappen die hem, samen met zijn bovenmenselijke geest, een bijzondere status gaven.
Helaas dreigde zijn culturele status – versterkt door zijn handicap en de mediastorm die daarop volgde – soms zijn wetenschappelijke nalatenschap te overschaduwen. En dat is zonde voor een man die iets ontdekte dat zomaar eens het belangrijkste ingrediënt zou kunnen blijken van een theorie van alles. Hawking vergrootte ons begrip van ruimte en tijd en gaf veertig jaar lang vorm aan de koers van de natuurkunde. Zijn inzichten zijn nog altijd van groot belang voor de vooruitgang in de hedendaagse theoretische fysica.
Hawkings wetenschappelijke carrière begon met teleurstelling. Toen hij in 1962 aan de University of Cambrigde aan zijn promotie begon, kreeg hij te horen dat Fred Hoyle, zijn gewenste promotor, geen nieuwe studenten meer kon aannemen. Hoyle was destijds de bekendste Britse sterrenkundige en diende als magneet voor ambitieuze studenten. Hawking viel echter buiten de boot. In plaats daarvan moest hij werken met Dennis Sciama, een natuurkundige waar Hawking niets van afwist.
In hetzelfde jaar werd bij Hawking ALS vastgesteld, een slopende neurologische ziekte die mensen berooft van het vermogen om vrijwillig hun spieren te bewegen. Hij kreeg te horen dat hij nog maar twee jaar te leven had.
Hoewel Hawkings lichaam begon af te takelen, bleef zijn intellect messcherp. Twee jaar onderweg in zijn promotie had hij inmiddels moeite met lopen en praten, maar het was al wel duidelijk dat de ziekte langzamer verliep dan de artsen hadden gevreesd. Ondertussen gaf zijn verloving met Jane Wilde – met wie hij later twee kinderen kreeg, Robert en Lucy – hem de nieuwe energie die hij nodig had om grote natuurkundedoorbraken te doen.
Samenwerken met Sciama had bovendien zo zijn voordelen. De faam van Hoyle betekende dat hij zelden op de afdeling aanwezig was, terwijl Sciama benaderbaar bleek en gretig om te overleggen. Die discussies stimuleerden de jonge Hawking om zijn eigen wetenschappelijke visie te volgen. Hoyle was bijvoorbeeld zeer fel tegen het idee van de oerknal (sterker nog: hij bedacht de naam oerknal – big bang in het Engels – zelfs als een manier om de theorie belachelijk te maken). Sciama, daarentegen, vond het juist prima dat Hawking zich wilde storten op de oorsprong van de tijd.
De pijl van de tijd
Hawking bestudeerde het werk van Roger Penrose. Daaruit bleek dat, als de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein inderdaad correct was, in het hart van elk zwart gat een punt moest zitten waarin de ruimte en tijd zelf ophouden met bestaan: een zogeheten singulariteit. Hawking realiseerde zich dat als de pijl van de tijd de andere kant op zou lopen, hetzelfde argument op moest gaan voor het heelal als geheel. Onder aanmoediging van Sciama leidde hij daarvoor de benodigde wiskunde af en bewees dat het heelal, volgens de algemene relativiteitstheorie, met een singulariteit moest begonnen.
Hawking was zich echter terdege bewust dat Einstein niet per se het laatste woord had. De algemene relativiteit, die ruimte en tijd op hele grote schaal beschrijft, houdt geen rekening met de regels van de quantumfysica, die het gedrag van materie op veel kleinere schalen beschreef. Er was een nog onbekende ’theorie van alles’ nodig om beide theorieën te verenigen. Voor Hawking betekende de singulariteit aan het begin van het heelal daarom niet dat ruimte en tijd ophielden te bestaan. Het betekende vooral dat er dringend behoefte was aan een theorie van quantumzwaartekracht.
Gelukkig leverde de link die hij had gelegd tussen de singulariteit van Penrose en de singulariteit van de oerknal een belangrijke aanwijzing in de jacht op zo’n theorie. Als natuurkundige de oorsprong van het universum wilden begrijpen, had Hawking hun zojuist exact getoond waar ze het moesten zoeken: het binnenste van een zwart gat.
Zwarte gaten waren in de vroege jaren zeventig van de vorige eeuw als onderwerp rijp om onderzocht te worden. Hoewel Karl Schwarzschild zulke objecten al in 1915 had gevonden in de vergelijkingen van de relativiteitstheorie, zagen theoretici ze vooral als wiskundige curiositeiten. Ze geloofden nauwelijks dat ze echt konden bestaan.
Hoewel zwarte gaten angstaanjagend zijn, werken ze echter vrij helder: ze hebben zulke sterke zwaartekrachtsvelden dat niets, zelfs niet het licht, aan hun ijzeren greep kan ontsnappen. Alle materie die in een zwart gat valt, raakt voor eeuwig verloren voor de wereld erbuiten. Dat idee bleek echter een aanval op de wetten van de thermodynamica.
Thermodynamische dreiging
De tweede wet van de thermodynamica is een van de bekendste uit de natuurkunde. Hij stelt dat entropie – de hoeveelheid wanorde in een systeem – altijd moet toenemen. De tweede wet verklaart alledaagse zaken als ijsblokjes die smelten tot een plasje water, terwijl je nooit een plasje water ziet dat spontaan transformeert tot blok ijs.
Alle materie bevat entropie, wat ons tot de vraag brengt wat er gebeurt wanneer je iets in een zwart gat laat vallen. Gaat de entropie dan samen met de materie verloren? Als dat zou kloppen, dan daalt de entropie van het heelal als geheel en overtreden zwarte gaten de tweede wet van de thermodynamica.
Hawking dacht dat dat geen probleem was. Hij zag er geen kwaad in om een concept overboord te gooien dat in de weg zat bij de jacht op een dieper gelegen waarheid. Als dat de tweede wet de kop zou kosten, dan moest dat maar zo zijn.
Bekenstein en de doorbraak
Hawking leerde zijn gelijke kennen tijdens een summer school in 1972, in het Franse skioord Les Houches. Jacob Bekenstein, een promovendus van de Princeton University stelde daar dat de tweede wet van de thermodynamica ook moest opgaan voor zwarte gaten. Bekenstein had het entropieprobleem uitvoerig bestudeerd en had, op basis van een eerder idee van Hawking, een mogelijke oplossing bedacht.
Een zwart gat verstopt zijn singulariteit achter de zogeheten waarnemingshorizon. Niets kan voorbij die grens komen en daarna nog ontsnappen. Het werk van Hawking had aangetoond dat het oppervlak van de waarnemingshorizon van een zwart gat nooit afneemt met de tijd. Sterker nog: wanneer materie in een zwart gat valt, groeit die horizon zelfs.
Bekenstein realiseerde zich dat dat de sleutel was tot het entropieprobleem. Elke keer dat een zwart gat materie verzwelgt, lijkt zijn entropie zoek en groeit zijn horizon. En dus stelde Bekenstein voor dat – om de tweede wet te redden – het oppervlak van de horizon zelf wel een maat moest zijn voor de entropie van een zwart gat.
Hawking vond het idee direct niets en was boos dat zijn eigen werk was gebruikt voor een idee dat zo overduidelijk niet kon kloppen. Entropie hangt namelijk samen met warmte, maar een zwart gat kon geen warmte uitstralen. Niets kon immers aan zijn aantrekkingskracht ontsnappen. Tijdens de pauze van de lezingen op de summer school, ging Hawking daarom in overleg met zijn collega Brandon Carter, eveneens een student van Sciama, en James Bardeen van de University of Washington. Samen zochten ze de confrontatie met Bekenstein.
De onenigheid met de fysici zat Bekenstein dwars. ‘Dit waren drie bekende mensen. Ik was net klaar met mijn proefschrift. Je maakt je dan toch zorgen dat je dom bent en dat deze mannen wel weten hoe het zit’, herinnert hij zich.
Eenmaal terug in Cambridge ging Hawking aan de slag om te bewijzen dat Bekenstein ernaast zat. In plaats daarvan ontdekte hij de precieze wiskundige relatie tussen entropie en de horizon van het zwarte gat. Hij vernietigde het idee van Bekenstein dus niet, maar bevestigde het. Het zou Hawkings grootste doorbraak blijken.
Hawkingstraling
Hawking omarmde nu het idee dat thermodynamica een rol moest spelen bij zwarte gaten. Alles dat entropie heeft, zo redeneerde hij, heeft ook een temperatuur. En alles dat een temperatuur heeft, kan ook stralen.
Zijn fout was, zo realiseerde hij zich nu, dat hij in zijn overwegingen alleen de algemene relativiteitstheorie had meegewogen. Die theorie zegt dat niets – geen deeltjes en geen warmte – kan ontsnappen aan een zwart gat. Dat verandert echter zodra quantumfysica om de hoek komt kijken. Volgens de quantumtheorie ontstaan continu paren van deeltjes en antideeltjes in de lege ruimte, die een momentje later weer op elkaar botsen en ophouden met bestaan. Als dat echter gebeurt in de buurt van een waarnemingshorizon, kan het best zo zijn dat zo’n paar wordt gesplitst. Het ene deeltje valt dan achter de horizon, terwijl het andere deeltje ontsnapt zodat ze elkaar nooit meer op elkaar kunnen botsen om op te houden met bestaan. De niet naar binnen gezogen weesdeeltjes stromen daarom weg van de rand van het zwarte gat in de vorm van straling. De willekeur van de quantumschepping verandert in de willekeur van hitte.
‘Ik denk dat de meeste natuurkundigen het eens zullen zijn dat Hawkings belangrijkste bijdrage de voorspelling is dat zwarte gaten straling uitstoten’, zegt theoretisch fysicus Sean Caroll van de California Institute of Technologie. ‘Hoewel we nog altijd geen experimenteel bewijs hebben dat zijn voorspelling waar is, gelooft vrijwel elke expert dat hij het bij het rechte eind had.’
Experimenten om Hawkings voorspelling te bewijzen zijn moeilijk omdat de temperatuur van zwarte gaten lager is naarmate de zwarte gaten groter zijn. Voor een groot zwart gat, eentje dat astronomen met een telescoop kunnen bestuderen, is de temperatuur van de straling zo laag dat je het niet meer kunt meten. Zoals Hawking zelf vaak stelde, is dat de belangrijkste reden dat hij nooit een Nobelprijs heeft gewonnen. Toch was de voorspelling wel belangrijk genoeg om hem een permanent plekje op te leveren in de wetenschapsgeschiedenis. De quantumdeeltjes die uit zwarte gaten stromen staan voor altijd bekend onder de naam Hawkingstraling.
Sommigen hebben gesuggereerd dat de naam eigenlijk Bekenstein-Hawking-straling zou moeten zijn, maar Bekenstein zelf wijst dit van de hand. ‘De entropie van een zwart gat heet al de Bekenstein-Hawking-entropie en dat is prima. Ik schreef het idee als eerste op, Hawking vond de numerieke waarde van de constante, dus we hebben de formule die vandaag de dag bekend is samen opgesteld. De straling was echter Hawkings werk. Ik had geen flauw idee hoe een zwart gat zou kunnen stralen, terwijl Hawking dat heel duidelijk wel wist. Hawkingstraling is dus de correcte naam.’
Theorie van alles
De Bekenstein-Hawking-entropievergelijking is de vergelijking waarvan Hawking heeft gevraagd of hij op zijn grafsteen mag staan. Het representeert de ultieme botsing van natuurkundedisciplines. De formule bevat de constante van Newton, die samenhangt met zwaartekracht, de constante van Planck, die onthult dat quantumfysica een rol speelt, de lichtsnelheid, die geldt als talisman van Einsteins relativiteitstheorie en de constante van Boltzmann, het teken dat thermodynamica bij het proces betrokken is.
De aanwezigheid van die bonte verzameling constanten was een vroege hint voor het bestaan van een theorie van alles, waarin al die natuurkundedisciplines verenigd zijn. Bovendien is het een sterke aanwijzing dat Hawkins eerdere gevoel klopte. Dat een beter begrip van zwarte gaten inderdaad de sleutel zou vormen tot een dieper begrip van de kosmos en de weg zou vormen richting een theorie van alles.
De doorbraak van Hawking heeft wellicht het entropieprobleem opgelost, maar zorgde direct ook voor een nog lastiger probleem. Als zwarte gaten kunnen stralen, dan moeten ze uiteindelijk verdampen en verdwijnen. Maar wat gebeurt er dan met alle informatie die in het zwarte gat is gevallen? Verdwijnt die ook? Als dat zo is, dan is dat direct in tegenspraak met een sleutelbegrip uit de quantumfysica. Maar, aan de andere kant, als die informatie ontsnapt, dan is dat weer in tegenspraak met Einsteins relativiteitstheorie. Met de ontdekking van Hawkingstraling zette hij de twee ultieme wetten van de natuurkunde dus stevig op ramkoers. Het vormde de geboorte van de bekende informatieparadox van zwarte gaten, een paradox die nog altijd niet is opgelost.
Hawking zelf maakte zijn positie duidelijk in een ander veelbesproken artikel met de titel Breakdown of predictability in gravitational collapse, dat hij in 1976 publiceerde in het vakblad Physical Review D. Hij stelde dat wanneer een zwart gat zijn massa wegstraalt, alle informatie daarmee ook verdwijnt – hoewel de quantumfysica dat soort informatieverlies expliciet verbiedt. Al snel daarna zouden andere natuurkundigen ook kampen kiezen, voor of tegen dat idee, in een debat dat tot op de dag van vandaag doorgaat. Velen menen zelfs dat dat idee van informatieverlies het belangrijkste obstakel vormt op weg naar een sluitende theorie van quantumzwaartekracht.
‘Het argument van Hawking uit 1976 dat zwarte gaten informatie verliezen is een grote prestatie, wellicht een van de meest invloedrijke ontdekkingen in de theoretische fysica sinds het ontstaan van het vakgebied’, zegt fysicus Raphael Bousso van de University of California.
Consessie
Tegen het eind van de jaren negentig hadden resultaten uit de snaartheorie veel theoretisch natuurkundigen overtuigd van het feit dat Hawing ernaast zat met zijn idee over informatieverlies. Hawking, die bekendstond als eigenwijs, plantte zijn hakken echter nog steviger in het zand. Pas in 2004 veranderde hij van gedachten, en dat deed hij met flair. Hij verscheen op dramatische wijze op een conferentie in Dublin en kondigde zijn nieuwe visie aan: zwarte gaten verliezen nooit informatie.
Vandaag de dag raast echter een nieuwe paradox door natuurkundeland, eentje die bekendstaat als de black hole firewall, en dat heeft de hele boel weer op losse schroeven gezet. Het is dus duidelijk dat de vragen die Hawking heeft opgeroepen, nog altijd aan de basis liggen van onze jacht op quantumzwaartekracht.
‘Straling uit zwarte gaten is een serieuze puzzel waar we nog steeds druk mee bezig zijn’, zegt Caroll. ‘Je kunt stellen dat Hawkingstraling de belangrijkste aanwijzing is die we hebben voor hoe we quantummechanica en zwaartekracht moeten verenigen – iets dat de grootste natuurkunde-uitdaging is van deze tijd.’
De nalatenschap van Hawking, zegt Bousso, is ‘dat hij zijn vinger legde op de zere plek in onze zoektocht naar een theorie van alles.’
Hawking bleef de grenzen van de theoretische fysica verleggen op een bijna onmogelijk tempo. Hij opende belangrijke routes naar een beter begrip van hoe quantumtheorie werkt op de schaal van het gehele universum, iets dat de deur opende naar een vakgebied dat tegenwoordig bekendstaat onder de naam quantumkosmologie. Zijn ziekte zorgde ervoor dat hij problemen op originele manieren moest aanpakken, iets dat heeft bijgedragen aan zijn bijzondere intuïtie voor dit vakgebied. Terwijl hij het vermogen verloor om lange, ingewikkelde vergelijkingen uit te schrijven, ontwikkelde hij handige manieren om problemen op te lossen in zijn hoofd, meestal door ze te herinterpreteren in geometrische vorm. Maar net als Einstein deed ook Hawking nooit meer iets dat net zo revolutionair was als zijn vroege werk.
‘Zijn meest invloedrijke bijdragen deed hij in de jaren zeventig, toen hij nog jong was’, zegt Caroll. ‘Maar dat is de standaard voor natuurkundigen. Zelfs voor natuurkundigen die niet getroffen worden door ingrijpende ziektes.’
Hawking als superster
Ondertussen katapulteerde de publicatie van A Brief History of Time Hawking naar een sterrenstatus. Het maakte van hem het nieuwe gezicht van de theoretische fysica. Hij zelf leek dat nooit erg te vinden. ‘Wanneer je een camera op hem zette, speelde Hawking het personage Hawking. Hij speelde echt met zijn culturele status’, zegt antropoloog Hélène Mialet van de University of California. Zij publiceerde in 2012 het controversiële boek Hawking Incorporated waarin ze onderzocht hoe de mensen rond Hawking hem hielpen om zijn publieke imago te bouwen en onderhouden.
Dat image maakte zijn leven zonder twijfel gemakkelijker dan het anders was geweest. Terwijl zijn ziekte steeds erger werd, boden ingenieurs hem graag steeds complexere machines aan die hem konden laten communiceren. Dat maakte het bovendien mogelijk dat hij kon blijven doen waardoor hij uiteindelijk bekend is geworden: zijn wetenschap.
‘Stephen Hawking heeft meer gedaan om ons begrip van zwaartekracht te vergroten dan wie dan ook sinds Einstein’, zegt Caroll. ‘Hij was een vooraanstaande theoretische natuurkundige, overduidelijk de beste ter wereld in zijn tijd op de kruising van zwaartekracht en quantummechanica. En hij deed het allemaal terwijl hij getroffen werd door een verschrikkelijke ziekte. Hij is een inspirerend figuur en zo zal hij ook zeker de geschiedenis in gaan.’
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: