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