Stephen Hawking geeft ons antwoord op de vraag, waarom het heelal zonder begin in de tijd en zonder grens is. Wetenschapper en filmster in Star Trek, een geniaal brein in een verlamd lichaam, vereerd door het grote publiek, maar niet evenveel door zijn vakgenoten: Stephen Hawking is, meer dan welke wetenschapper van zijn generatie ook, een bron van tegenstellingen. In zijn persoon vallen de rollen van pop-icoon, spreekbuis voor de theoretische natuurkunde, vooraanstaand fysicus en denker samen.

Tweede artikel in een serie over het werk van Stephen Hawking. Zie ook Stephen Hawking en verdampende zwarte gaten

De oerknal
Kosmologische vragen vormen een tweede vakgebied van Hawking. Kosmologie is de leer van de ontwikkeling van het heelal als geheel, vanaf zijn vroegste stadia tot nu. Zijn eerste belangrijke werk op dit gebied is een kosmologische toepassing van de wiskundige technieken die Roger Penrose voor zwarte gaten had ontwikkeld. Dat de algemene relativiteitstheorie een uitdijend heelal kan beschrijven, was al lang bekend. Als het heelal nu uitdijt, moet het ook met een singulariteit begonnen zijn: de expansie van het heelal moet terug te voeren zijn tot één oneindig klein punt aan het begin van de tijd waar alle energie van het heelal verzameld was. Dat is de oerknal-singulariteit.

Dit impliceert echter een oneindig sterke kromming en energiedichtheid van de tijdruimte, maar die kan de relativiteitstheorie niet beschrijven. Hawking stelt zich de vraag of een dergelijke singulariteit een noodzakelijk gevolg is van de theorie van Einstein, of dat het een onplezierige tekortkoming is van de destijds bekende modellen. Hij kan deze vraag wiskundig zeer precies formuleren en het antwoord is eenduidig: singulariteiten aan het begin (of aan het einde) van de geschiedenis, daar valt in de theorie van Einstein niet aan te ontkomen. Hawking heeft een tweede belangrijke bijdrage geleverd aan de oerknaltheorie. Als oplossing voor de singulariteit stellen Hawking en Hartle een ‘no-boundary proposal’ voor. Volgens deze theorie heeft de tijdruimte geen begin of rand: net als de oppervlakte van een bol, die geen begin of einde heeft. Welk punt als het begin van de tijd wordt genomen, is afhankelijk van de waarnemer en in die zin willekeurig. Volgens Hawking is dit een manier om de singulariteit te vermijden. Deze oplossing wordt vooralsnog als speculatief gezien omdat hij een speciale definitie van tijd hanteert, maar het is zeker een interessante poging om het probleem van de singulariteit op te lossen.

Kwantumgravitatie
Het latere werk van Hawking richt zich op de kwantumgravitatie, de tak van de theoretische natuurkunde waar objecten zo klein zijn en zoveel energie hebben dat zowel de kwantummechanica als de algemene relativiteitstheorie gehanteerd moeten worden. Hawkings eigen bijdrage daaraan is het gebruik van het begrip ‘som over geschiedenissen’ (‘sum over histories’) uit de deeltjesfysica. Daar geldt namelijk dat, als een deeltje van A naar B beweegt, het langs alle mogelijke paden gaat. De uitkomst van een experiment moet rekening houden met alle reismogelijkheden.

Stel, u neemt een vlucht van Amsterdam naar Londen. In principe vliegt u direct. Maar in de kwantummechanica hoeft dat niet zo te zijn. Misschien moet u via Parijs, Berlijn of zelfs New York vliegen. U hebt zelfs kans dat u twee of meerdere tussenstops moet maken. De prijs van een ticket wordt in de kwantummechanica berekend als het gemiddelde over al deze mogelijkheden. Zo is dat ook met de baan van een foton: alle mogelijke paden moeten meegewogen worden om de uiteindelijk doorlopen baan te bepalen. Hawking past dit begrip op de zwaartekracht toe: in plaats van over verschillende routes moet je je berekening maken over verschillende tijdruimtes. Als je de kans wilt berekenen dat vandaag de aarde om de zon draait, dan moet je rekening houden met alle geschiedenissen van het heelal die daartoe leiden. Dat betekent dat er een geschiedenis zal zijn waar de aarde 4.5 miljard jaar oud is, zoals de onze; maar ook een geschiedenis waar de aarde veel eerder of veel later is ontstaan, aangezien in beide gevallen de aarde om de zon blijft draaien.

Tenslotte ontwikkelt Hawking de belangrijke begrippen ‘oer-zwarte gaten’ (‘primordial black holes’) en ‘baby-heelal’ (‘baby universe’). Oer-zwarte gaten zijn zwarte gaten die vlak na de oerknal zijn ontstaan. Baby-heelallen zijn delen van het heelal die zich van ons afscheiden en die we nooit zullen kunnen bereiken. Hawking speculeert dat zulke ‘heelallen’ klein kunnen zijn en overal kunnen ontstaan, maar vooral vlak na de oerknal ontstonden. Hoewel hij hier verkeerde conclusies aan verbindt (dat dit namelijk in tegenspraak zou zijn met de kwantummechanica), speelt dit begrip heden ten dage nog een belangrijke rol.

Geschreven in Stephen Hawking  Vaste link  Zwart gat  Vaste link  Oerknal  Vaste link  Kosmologie  Vaste link 

Reacties :
• (1)
• Geef uw reactie!
Print dit artikel

Wetenschapper en filmster in Star Trek, een geniaal brein in een verlamd lichaam, vereerd door het grote publiek, maar niet evenveel door zijn vakgenoten: Stephen Hawking is, meer dan welke wetenschapper van zijn generatie ook, een bron van tegenstellingen. In zijn persoon vallen de rollen van pop-icoon, spreekbuis voor de theoretische natuurkunde, vooraanstaand fysicus en denker samen. Dit is het eerste in een serie artikelen waar ik het werk van Stephen Hawking zal bespreken.

Artikel afkomstig uit Kritisch denkerslexicon 41 (november 2008), "Stephen Hawking" door S. de Haro.

Een belangrijke implicatie van de algemene relativiteitstheorie is dat het heelal niet statisch is, maar uitdijt dan wel inkrimpt, hoewel Einstein daar altijd ontevreden over bleef. Aan het begin van de tijd waren alle materie en energie op één punt in de tijdruimte geconcentreerd, wat dan vervolgens met een geweldige knal uit elkaar ging. Dat wordt de oerknal genoemd. Een tweede gevolg is het bestaan van zwarte gaten: de tijdruimte kan zo in zichzelf gekeerd zijn, dat een deel ervan zich van de rest afzondert, zodat er niets, ook geen licht, uit kan ontsnappen.Hawking levert belangrijke bijdragen aan het onderzoek naar zwarte gaten en de kosmologie. Verder is hij een invloedrijke figuur in de kwantumgravitatie, de theorie die de zwaartekracht met de kwantummechanica probeert te verenigen.

Zwarte gaten

Zwarte gaten zijn objecten waarvan het zwaartekrachtsveld zo sterk is dat niets, zelfs het licht niet, eruit kan ontsnappen. De horizon van een zwart gat is de plaats van waaruit de laatste lichtstraal kan worden uitgezonden die een waarnemer ver weg kan bereiken. Hawking’s belangrijkste bijdrage aan de theoretische natuurkunde is de ontdekking dat zwarte gaten volgens de kwantummechanica toch straling kunnen uitzenden. Het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg laat toe dat op de horizon van een zwart gat gedurende korte tijd paren van deeltjes en antideeltjes uit het vacuüm ontstaan, waarvan het deeltje positieve en het anti-deeltje negatieve energie heeft. Het deeltje met positieve energie bevindt zich buiten de horizon en kan weer door het zwarte gat geabsorbeerd worden, maar het kan ook ontsnappen. In het laatste geval zal het deeltje met negatieve energie dat binnen de horizon zit door het zwarte gat geabsorbeerd worden. Dit proces vermindert de energie (en dus de massa) van het zwarte gat met de energie die door het deeltje wordt weggedragen. Als dit proces zich herhaalt zendt het zwarte gat dus straling uit.

Het idee dat zwarte gaten toch wél kunnen stralen dateert van lang vóór Hawking’s ontdekking. Van zwarte gaten die als een tol om hun as heen draaien was het zogenaamde Penrose-effect bekend. Dit werkt zoals gestimuleerde emissie bij lasers: het licht dat je naar zo’n zwart gat zendt, wordt versterkt weerkaatst. De extra energie die in deze versterking zit, komt uit het zwarte gat, dat steeds langzamer gaat draaien. De Russen Y.B. Zeldovich en A.A. Starobinsky en de Amerikaan W.G. Unruh ontdekken dat deze straling ook spontaan kan ontstaan: volgens de kwantummechanica kan het zwarte gat ook uit zichzelf gaan stralen. Wat deze heren niet inzagen is dat straling ook aanwezig is wanneer het zwarte gat stil staat. In 1973 ontmoet Hawking de twee Russen bij een conferentie en zij overtuigen hem van de mogelijkheid van zulke straling. Maar hij vindt hun argumenten niet zo fraai. Terug in Cambridge ontwikkelt hij zijn eigen bewijs. Hawking gaat uit van een stilstaand zwart gat, dat uit een zwarte ster zou kunnen zijn ontstaan. Het slimme van zijn benadering is dat hij geen onnatuurlijke aannames over de toestand van het zwarte gat hoeft te maken, zoals dat voor andere wetenschappers wel het geval wel was. Anders dan zijn voorgangers is hij ook in staat om de overeenstemming met de wetten van de thermodynamica van zwarte gaten te bewijzen. Deze wetten heeft hij kort daarvoor samen met J.M. Bardeen en B. Carter geformuleerd op basis van het begrip entropie, dat eerder door J. Bekenstein op zwarte gaten was toegepast. De naam van Hawking blijft voorgoed aan de straling van zwarte gaten gebonden in de Hawking-straling.

Geschreven in Stephen Hawking  Vaste link  Zwart gat  Vaste link 

Reacties :
• (0)
• Geef uw reactie!
Print dit artikel

Het zwaarste en snelst tollende zwarte gat in de melkweg is GRS 1915+105, een zwart gat in het sterrenbeeld Arend, dat zo’n 15 maal zo zwaar is als de zon. GRS 1915+105 draait 1150 keer per seconde om zijn eigen as en zendt röntgenstraling uit. Als compangon heeft hij een ster die hij langzaam opslokt. De massa van deze ster wordt via een spiraal door het zwarte gat weggezogen.

 

Kort geleden was ik bij een workshop in Wenen over drie-dimensionale zwaartekracht. De workshop duurde twee weken en het was de laatste lezing op de vrijdagavond van de eerste week. Een zeer nuttige, maar ook vermoeiende week voor iedereen; de klok sloeg al bijna 17 uur en sommige aanwezigen werden ongeduldig, niet in het minst omdat er na de laatste lezing een borrel zou zijn. De organisatoren wisten goed dat je op een dergelijke avond een goede spreker moet hebben en hadden Wei Song voor de laatste lezing gevraagd. Wei Song is een Chinees meisje uit Beijing dat inmiddels op Harvard bij snaartheoriegoeroe Andy Strominger werkt.

Wei was bijna aan het einde van haar verhaal. Ze had het gehad over de toepassingen van holografie op zwarte gaten. Maar toen kwam het: ze maakte een duidelijke holografische voorspelling voor GRS 1915+105. Ze schreef het aantal vrijheidsgraden op dat de holografische theorie van dit zwarte gat moet hebben. Dit aantal is ongeveer 10⁷⁹. Een belachelijk getal om er iets mee van nut te kunnen doen, maar wel de orde van grootte die je verwacht voor een systeem van zulke omvang. Aanvankelijk was er wat gegrinnik in de zaal. Ik wist zelf ook niet of ik het goed had gehoord, of dat het om een grapje ging. Dat is vaak zo met zulke voorstellen; maar hoe langer ik erover nadenk, hoe plausibeler het me lijkt. Het is natuurlijk niet met de huidige methodes te testen, maar niet daarom van minder betekenis. Zou dit dan een holografische voorspelling van snaartheorie over een écht zwart gat zijn? Tot nu toe was snaartheorie alleen van toepassing op zwarte gaten van bijzondere soorten, die niet in de natuur voorkomen. Dat is dan ook een vaak gehoorde kritiek. Wei’s bevinding nu gaat over een echt bestaand zwart gat in ons melkwegstelsel, en dat is een buitengewoon opmerkelijk resultaat.

Geschreven in Snaartheorie  Vaste link  Zwart gat  Vaste link 

Reacties :
• (0)
• Geef uw reactie!
Print dit artikel