Stephen Hawking (1942-2018), de bekendste natuurkundige van zijn generatie, laat de mensheid achter met een aantal baanbrekende inzichten over het ontstaan van het heelal.
1. Ons universum is ontstaan uit een singulariteit
Sterren die dubbel zo zwaar zijn als onze zon, staan op het einde van hun leven een duister lot te wachten: ze imploderen onder hun eigen zwaartekracht en worden een zwart gat.
De veldvergelijkingen van Einstein, die de algemene relativiteitstheorie wiskundig samenvatten, beschrijven hoe een zware massa de ‘ruimtetijd’ vervormt. In het geval van een zwart gat wordt die ruimtetijd zodanig extreem vervormd dat nagenoeg niets nog kan ontsnappen, ook het licht niet. Wanneer de Britse wiskundige Roger Penrose de veldvergelijkingen van Einstein toepaste op een zwart gat, kwam hij dan ook tot een ‘singulariteit’ als oplossing: een oneindig grote massa die in een oneindig klein puntje gezogen wordt.
Geïnspireerd door het werk van Penrose, vroeg Stephen Hawking zich af of hij diezelfde gedachtegang ook kon toepassen op het ontstaan van het universum. Wanneer je de implosie van een zwart gat tot een singulariteit in omgekeerde richting zou afspelen, dan krijg je immers iets dat verdacht veel lijkt op … de big bang. Die gedachte zou het onderwerp voor Hawkings thesis vormen.
De veldvergelijkingen van Einstein waren al eerder op het universum toegepast om een uitdijend heelal te beschrijven, onder meer door de Rus Friedmann en de Belg Lemaître. In 1970 kwam de jonge Hawking echter als eerste met het bewijs dat een singulariteit de enige mogelijke beginvoorwaarde voor het universum kan zijn geweest. Met andere woorden: ons heelal is ontstaan vanuit een punt met een oneindige dichtheid. Hawking verkondigde dat dat niet gewoon een wiskundige eigenaardigheid was, maar een fundamenteel aspect van het ontstaan van het universum.
Al heeft Hawking later zijn stelling wat genuanceerd. In 1988 schrijft hij in zijn bestseller A brief History of Time dat de wetenschappelijke wereld ervan overtuigd was geraakt dat het universum als een singulariteit ontstaan is, maar dat hij intussen zélf van gedacht veranderd was. Dat heeft ermee te maken dat hij vertrok van Einsteins algemene relativiteitstheorie om de singulariteit te bewijzen, maar dat die gravitatietheorie tijdens de eerste fractie van een seconde na de big bang mogelijk niet opgaat. Om de toestand van het universum tijdens die vingerknip van 10-43 seconden te beschrijven, hebben we een theorie nodig die de algemene relativiteitstheorie verenigt met de kwantummechanica. Hawking gaf zelf de aanzet om zulke ‘Theory of Everything’ te ontwikkelen. Ondanks jarenlange intellectuele inspanningen van snaartheoretici is het echter (nog) niet gelukt om deze ‘Heilige Graal van de Natuurkunde’ op te sporen. Einsteins zwaartekrachtstheorie blijkt héél moeilijk verzoenbaar met de kwantumtheorie.
2. Sterrenstelsels zijn ontstaan uit kwantumfluctuaties
Bij gebrek aan een Theory of Everything weten we dus niet zeker wat er in die prille fase van 10-43 seconden gebeurde. Wat daarna volgde, is wel geschiedenis: het universum begon zichzelf exponentieel op te blazen. Deze theorie van ‘kosmische inflatie’, waarmee Alan Guth in 1981 op de proppen kwam, bleek niet alleen allerlei kosmologische problemen op te lossen, ze werd intussen ook bevestigd door metingen van de kosmische achtergrondstraling met satellieten.
Die kosmische achtergrondstraling kunnen we zien als een soort babyfoto van ons universum. De onregelmatigheden die daarin te zien zijn, verklaren de manier waarop materie is samengeklonterd tot de sterrenstelsels die het heelal tegenwoordig bevolken. Dat besefte Hawking als een van de eersten.
Uit de kwantumtheorie volgt dat kleine deeltjes voor korte tijd uit het niets kunnen verschijnen en verdwijnen. Wanneer deze kwantumfluctuaties ongelofelijk worden opgeblazen door inflatie, kunnen ze uitgroeien tot de structuren die we vandaag in het universum zien. Onder meer Hawking, Guth, Starobinsky en Mukhanov toonden dat onafhankelijk aan met hun berekeningen. “We zijn het product van kwantumfluctuaties in het vroege universum”, zo verwoordde Hawking het.
3. De oerknal had geen begin
Doordat inflatie alles opblaast en uitvlakt, weten we niet wat er daarvoor met het universum gebeurde. In 1983 stelde Hawking samen met Jim Hartle een nieuw model voor om het universum te beschrijven in die prille fase. In deze ‘Hartle-Hawking toestand’ wordt ruimte volledig gescheiden van tijd. Het concept van het ‘begin’ van het universum wordt daarin volkomen betekenisloos, omdat tijd niet bestaat vóór de oerknal.
Hawking legde dat graag uit met een metafoor. “We kunnen tijd zien als een lijn die begint aan de Zuidpool. Op het meest zuiderse punt van die lijn gelden de normale wetten van de fysica nog, maar ten zuiden van de Zuidpool is er verder niets meer. Op dezelfde manier was er niets vóór de Big Bang”, zei hij begin deze maand nog in een interview met sterrenkundige Neil deGrasse Tyson.
4. Zwarte gaten kunnen verdampen
Hawking wisselde zijn werk rond de oerknal en zwarte gaten met elkaar af. Om beide fenomenen te beschrijven gebruikte hij vaak gelijkaardige wiskunde, waarbij hij zowel beroep deed op Einsteins gravitatietheorie als op de kwantummechanica. Zo vormden de eerder aangehaalde ‘kwantumfluctuaties’ ook de basis voor de ontdekking van Hawking-straling in 1975.
Als een paar virtuele deeltjes door zo’n kwantumfluctuatie kortstondig verschijnen aan de rand van een zwart gat, dan kan één van de deeltjes genoeg energie verkrijgen om uit het zwart gat te ontsnappen. Hawking besloot hieruit dat zwarte gaten straling kunnen uitzenden, een proces dat in theorie kan doorgaan tot het zwart gat al zijn energie heeft uitgeput en helemaal verdampt. Zwarte gaten bleken dus niet zo zwart als men begin de jaren 70 geloofde.
Dat deze ontdekking zijn belangrijkste wetenschappelijke doorbraak is, heeft ook te maken met de manier waarop hij kwantummechanica, thermodynamica en relativeitstheorie combineerde. Die drie domeinen zitten mooi vervat in de formule die de temperatuur (of entropie) van een zwart gat beschrijft. Ooit verklaarde Hawking dat het die formule is die op zijn grafsteen moet komen.
Fout opgemerkt of meer nieuws? Meld het hier
