Stephen Hawking en verdampende zwarte gaten
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.
Relativiteitstheorie
De algemene relativiteitstheorie is de theorie van de zwaartekracht die Einstein in 1916 publiceerde. In de zeventiende eeuw formuleert Newton voor het eerst de wet van de zwaartekracht: de zwaartekracht is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen twee objecten. Voor Newton zijn ruimte en tijd absolute begrippen, die helemaal onafhankelijk zijn van de materie. In de loop der eeuwen verandert weinig aan deze zienswijze, tot Einstein in 1905 zijn speciale relativiteitstheorie publiceert. Het eerste relativiteitspostulaat houdt in dat er geen bevoorrechte waarnemers zijn: de fysische wetten zien er voor alle vrij bewegende waarnemers hetzelfde uit. Anders gezegd, er bestaat geen absolute rusttoestand in het heelal. Verder is de snelheid van het licht in vacuüm voor alle waarnemers constant. De consequentie van beide postulaten is dat ruimte en tijd geen absolute begrippen zijn, maar afhangen van de waarnemer. In de algemene relativiteitstheorie gaat Einstein nog een stap verder: versnelde waarnemers en waarnemers in een homogeen zwaartekrachtsveld zijn ook equivalent. Dit sluit aan bij de dagelijkse ervaring dat men zich in een optrekkende lift zwaarder voelt. Het betekent ook dat zwaartekracht verklaard kan worden door de kromming van ruimte en tijd. Deze kromming wordt veroorzaakt door de aanwezige materie. Ruimte en tijd smelten op deze manier in één geheel samen: de tijdruimte.
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.
| 
