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 , Zwart gat , Oerknal , Kosmologie | 1 Reacties | Vaste link | Afdrukken

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 , Zwart gat | 0 Reacties | Vaste link | Afdrukken

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

Stephens vader, Frank Hawking, onderzoekt medische ziektes in Afrika en brengt doorgaans de winters door in tropische landen. Stephen dankt zijn interesse voor wetenschap grotendeels aan hem. Zijn moeder, Isobel, is een leesgierige vrouw die economie, filosofie en politiek heeft gestudeerd. Boeken nemen een belangrijke plaats in het leven én het meubilair van de familie Hawking in, en die belangstelling zal in de latere jaren van Stephen ook haar vruchten afwerpen.Vanaf 1950 wonen de Hawkings in St. Albans, een oude stad ten noorden van Londen. Op school behaalt Stephen slechts middelmatige resultaten, al staat hij wel bekend om zijn bijzondere intelligentie en interesse voor wetenschap en techniek. In kleine vriendenkring komt zijn creativiteit tot uiting in het bedenken van ingenieuze bordenspellen.

Op zijn zeventiende krijgt hij een beurs en gaat hij naar Oxford om natuur- en scheikunde te studeren. In 1962, zijn laatste studiejaar, ontdekt hij dat hij moeite heeft om te roeien en alsmaar onhandiger wordt. Het jaar daarop begint hij aan zijn proefschrift in Cambridge en worden de symptomen duidelijker: ALS (Amyotrofische Laterale Sclerose) is een zeldzame zenuwziekte die in relatief korte tijd tot de dood van de patiënt door verlamming van de ademhalingsspieren leidt. Stephen zal de uitzondering blijken want vijfenveertig jaar na deze prognose vliegt hij nog overal heen om lezingen te verzorgen. Na een eerste inzinking keert hij naar zijn promotiewerk terug onder leiding van Dennis Sciama. Stephen wil de uitdijing van het heelal bestuderen, die impliceert dat er aan het begin van het heelal een oerknal moet hebben plaatsgehad. Deze theorie zal later door metingen worden bevestigd, maar is in deze tijd nog lang niet algemeen aanvaard en er vinden hevige debatten plaats tussen de aanhangers van de oerknaltheorie en degenen die postuleren dat het heelal in de loop der tijd onveranderlijk blijft. Stephen’s promotor is een felle voorstander van deze laatste theorie. De dapperheid – of koppigheid – waarmee Stephen zijn eigen ideeën tegenover gevestigde theorieën verdedigt is een karaktertrek die we vaker tegen zullen komen.

Zijn eerste doorbraak komt in 1965 als hij de wiskundige technieken die collega Roger Penrose voor zwarte gaten heeft ontwikkeld, weet toe te passen op de oerknal. Datzelfde jaar trouwt hij met Jane Wilde, met wie hij twee zonen en een dochter krijgt. Na zijn promotie blijft hij met een onderzoeksbeurs aan het Golville and Caius College te Cambridge onderzoek doen. Stephen kan zich steeds moeilijker bewegen en spreken, tot hij in 1969 permanent een rolstoel moet gaan gebruiken. Met inmiddels een zoon en een dochter en een echtgenoot die alle zorg vergt, zijn het voor Jane hectische jaren, waarin ze ook haar proefschrift probeert te schrijven. Het gezin heeft weinig geld en er zijn weinig faciliteiten voor het ondersteunen van Stephen’s ziekte. Jane en Stephen zetten zich dan ook in voor de maatschappelijke positie van gehandicapten.

Ondertussen werkt Stephen gestaag aan zijn onderzoek. Vanaf 1970 bestudeert hij de zwarte gaten en boekt hier een aantal baanbrekende resultaten. Het hoogtepunt is zijn ontdekking in 1973-1974 dat zwarte gaten toch niet helemaal zwart zijn, omdat ze volgens de kwantummechanica straling uitzenden. Kort daarop volgt een aanbod voor een gasthoogleraarschap op Caltech (California Institute of Technology), waar hem alle faciliteiten ter beschikking worden gesteld die zijn conditie vereist. Bij terugkomst in Cambridge het jaar daarop krijgt hij weer grotere erkenning en ook meer financiële mogelijkheden. In 1977 wordt Hawking professor en in 1979 krijgt hij de Lucasian leerstoel in de wiskunde, die zoals hij regelmatig pleegt te gedenken ook door Isaac Newton is bekleed. Pas in 1980 krijgt Stephen voor een deel van de tijd verpleegkundige hulp. Het jaar daarop houdt hij zijn inaugurele rede ‘Is het einde van de theoretische natuurkunde in zicht?’. Hij zorgt voor grote controverse met zijn boude stelling dat we de komende twintig jaar met een kans van vijftig procent een geünificeerde ‘theorie van alles’ – een theorie die alle natuurkunde kan verklaren – zullen vinden.Stephen wordt getroffen door periodes dat de symptomen van zijn ziekte verergeren en complicaties opleveren. In 1985 wordt hij tijdens een bezoek aan de deeltjesversneller CERN te Genève geveld door een longontsteking. Hij moet kunstmatige beademing krijgen en in slaap worden gebracht. Verder moet hij een tracheotomie ondergaan waardoor hij zijn spreekvermogen voorgoed kwijt raakt. Zijn arts stelt voor om alle levensvervangende functies stop te zetten, maar Jane wijst dit resoluut van de hand. Voortaan krijgt Stephen voortdurende verpleging thuis en een spraakcomputer die inmiddels wereldberoemd is geworden.Ondertussen wordt hij steeds meer een publieke persoonlijkheid. In 1988 verschijnt zijn populair wetenschappelijk boek A brief history of time, dat een absolute bestseller wordt.

In 1995 scheidt Stephen van zijn vrouw en trouwt met zijn verpleegster Elaine. Deze relatie duurt tot 2006.

In 1998 houdt Stephen een ‘Millennium Lezing’ in het Witte Huis, en in 2000 wordt een videoband van hem getoond op de Democratische Nationale Conferentie van Al Gore. Hij geeft steeds meer publieke lezingen en zet zich in voor goede doelen. In september 2009 gaat Hawking met emeritaat. Zijn jongste wens is om binnenkort de ruimte in te gaan. Om dit mogelijk te maken treft Virgin Galactic reeds voorbereidingen.

Geschreven in Algemeen , Stephen Hawking | 1 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Stephen Hawking is inmiddels een icoon geworden. Iedereen kent de glimlachende wetenschapper in de rolstoel die aan de zeldzame zenuwziekte ALS lijdt; die moeizaam door middel van een spraakcomputer met de buitenwereld communiceert maar intussen allerlei geniale theorieën bedenkt die hij in wiskundige symbolen uitdrukt: de zwarte gaten-expert, ook bekend van de Simpsons en van zijn uitspraken over de Big Bang en het bestaan van God.

Een vraag die men vaak hoort is of hij werkelijk zo geniaal is als men denkt, of dat hij zijn populariteit toch grotendeels aan zijn media-aandacht te danken heeft. Ook vraagt men regelmatig wat zijn belangrijkste bijdrage aan de natuurkunde en aan de wetenschapsfilosofie eigenlijk is geweest. Ik heb in de kelder een artikel geplaatst waarin ik deze vragen beantwoord.


De eerste aanwijzingen dat er met de gezondheid van de jonge Stephen iets mis was, verschenen vroeg. Na een roemloze afronding van de middelbare school examens kreeg hij op zijn zeventiende een beurs en ging naar Oxford om natuur- en scheikunde te studeren. In 1962, zijn laatste studiejaar, ontdekte hij dat hij moeite had om te roeien en alsmaar onhandiger werd. Het jaar daarop begon hij aan zijn proefschrift in Cambridge en werden de symptomen duidelijker: ALS (Amyotrofische Laterale Sclerose) is een zeldzame zenuwziekte die in relatief korte tijd tot de dood van de patiënt door verlamming van de ademhalingsspieren leidt. Stephen zal de uitzondering blijken want 45 jaar na deze prognose vliegt hij nog overal heen om lezingen te verzorgen.

Stephen werd getroffen door periodes dat de symptomen van zijn ziekte verergerden. In 1985 werdt hij tijdens een bezoek aan de deeltjesversneller CERN te Genève geveld door een longontsteking. Hij moest kunstmatige beademing krijgen en in slaap worden gebracht. Verder moest hij een tracheotomie ondergaan waardoor hij zijn spreekvermogen voorgoed kwijt raakte. Zijn arts stelde voor om alle levensvervangende functies stop te zetten, maar Jane wees dit resoluut van de hand. Voortaan zou Stephen voortdurende verpleging thuis krijgen en een spraakcomputer die inmiddels wereldberoemd is geworden.

Ondertussen werd hij steeds meer een publieke persoonlijkheid. In 1988 verscheen zijn populair wetenschappelijk boek A Brief History Of Time, dat een absolute bestseller werd.

Net als Einstein een icoon van de algemene relativiteitstheorie is, is Stephen Hawking een icoon geworden van de quantum gravitatie, het moeilijkste en meest extreme vakgebied van de theoretische natuurkunde. Deze publieke aandacht is niet onterecht omdat begrippen als “baby universe”, “wormhole”, “wave function of the universe”, “information loss” en oerknal singulariteit, al zijn ze niet alle van hem afkomstig, door hem ontwikkeld zijn en dankzij hem sterk tot de verbeelding zijn gaan spreken. Ik zal deze begrippen in toekomstige berichten uitleggen. Hawking beheerst als geen ander de kunst om een wetenschappelijke ontdekking zodanig te formuleren dat ook de ruime implicaties ervan duidelijk zijn, en dit met een vleugje Britse humor. De publiciteit voor hem is zo groot dat hij optredeedt in Star Trek, waar hij met Newton, Einstein, en Commander Data pokert... en wint; bij The Simpsons, en voor een opname voor Pink Floyd’s Keep Talking. In zijn controversiële Millennium Lecture op 6 maart 1998 in het Witte Huis verweet hij de Clinton administratie kortzichtigheid omdat ze de bouw van een nieuwe deeltjesversneller hadden afgeblazen: “At the risk of causing embarrassment, I have to say I think this was a very short sighted decision. I hope that the US, and other governments will do better in the next millennium.” Bij deze gelegenheid en elders pleitte Hawking voor de noodzaak van de genetische verbetering van de mens, “if it is to deal with the increasingly complex world around it and meet new challenges like space travel”. Hawking staat bekend om zijn politiek incorrecte uitspraken en voorkeur voor provocatie en gok. Het is dan ook de vraag hoe serieus deze uitspraak genomen dient te worden. Lenny Susskind, hoogleraar op Stanford University en zelf een charismatische persoonlijkheid, beschrijft Stephen ooit als “By far the most stubborn and enfuriating person in the universe”.

Het genie gevangen in een lichaam dat niets kan, spreekt tot de verbeelding. Stanley Kubrick gebruikte dit reeds als centraal thema in Dr. Strangelove, or: How I learned to Love the Bomb. Toch geniet Stephen in zijn eigen wetenschappelijke kring niet het mateloze aanzien dat het grote publiek hem vaak toekent, waar hij met natuurkundigen als Newton en Einstein wordt vergeleken.


Hawking is ook een getalenteerd schrijver. A Brief History of Time wordt als bestseller opgenomen in het Guinness Book of Records. Veel critici verwijten het boek dat het wetenschappelijk onbegrijpbaar is. Maar het slaagt er wel in de grandeur van de wiskundige formules in woorden om te zetten en de grote vragen van de mensheid op eenvoudige manier te stellen. Aan het einde van A Brief History of Time schrijft hij bijvoorbeeld: “Zodra we een volledige theorie ontdekken zal deze na verloop van tijd voor iedereen begrijpelijk zijn, niet alleen voor een handjevol geleerden. Dan kunnen allen, filosofen, geleerden en gewone mensen, deelnemen aan de discussie over de vraag waarom wij en het heelal bestaan. Wanneer we het antwoord op die vraag kennen is dat de bekroning van het menselijk verstand – want dan kennen we de geest van God”. Stephen wil dat natuurkunde een bijdrage levert aan het beantwoorden van de grote vragen van de mensheid.

Natuurkunde is voor Hawking geen een ivoren toren, een plek waar geniale ontdekkingen worden gedaan wiens belang òf puur academisch is, òf zich slechts in termen van technologische vernieuwingen uitdrukt. Integendeel. Hawking is een popularisator die zich realiseert dat de wetenschap een stem heeft die hoorbaar moet zijn in de maatschappelijke en filosofische debatten. Dat zij een bijdrage kan en moet leveren aan discussies over politiek beleid en maatschappelijke vraagstukken.

Zijn jongste wens is om in 2009 de ruimte in te gaan. Om dit mogelijk te maken treft Virgin Galactic reeds voorbereidingen.

(Foto's: A&F foto's en Pingnews)

Geschreven in Stephen Hawking | 3 Reacties | Vaste link | Afdrukken