Lees meer over een van de pijlers van de wetenschap in deze korte blogpost.
Wat was het verhaal van Stephen Hawking?
Stephen Hawking is een wereldberoemde Britse theoretische natuurkundige, bekend om zijn bijdragen aan de kosmologie, algemene relativiteit en kwantumzwaartekracht, met name in de context van zwarte gaten. In de jaren 1960 en 1970 werkte hij aan baanbrekende stellingen over singulariteiten in algemene relativiteit en deed hij de theoretische voorspelling dat zwarte gaten straling zouden uitzenden (nu bekend als Hawkingstraling). Hij heeft ook verschillende populair-wetenschappelijke boeken gepubliceerd waarin hij zijn eigen theorieën en kosmologie in het algemeen bespreekt, waaronder de bestseller ‘A Brief History of Time’, en hij wordt beschouwd als een van de grootste natuurkundigen sinds Albert Einstein. In zijn eigen woorden: “Mijn doel is eenvoudig. Het is om het universum volledig te begrijpen, waarom het is zoals het is en waarom het überhaupt bestaat.”
Stephen William Hawking werd op 8 januari 1942 geboren in Oxford, Engeland, midden in de Tweede Wereldoorlog. Na zijn geboorte in de relatieve veiligheid van Oxford keerde het gezin terug naar Londen, waar zijn vader de leiding had over de afdeling parasitologie van het National Institute of Medical Research, ondanks het constante risico van bombardementen door de Duitse luchtmacht. In 1950 verhuisde Hawking met zijn gezin naar St. Albans, waar hij van 1950 tot 1953 naar de St. Albans High School for Girls ging (jongens konden tot hun 10e naar die school). Vanaf zijn 11e ging hij naar de St. Albans School, waar hij een goede, maar geen uitmuntende leerling was.
In 1959 won hij een beurs voor University College, Oxford, het oude college van zijn vader, waar hij natuurkunde studeerde bij Robert Berman (vooral omdat zijn voorkeur, wiskunde, daar niet werd aangeboden) en waar hij bijzonder geïnteresseerd raakte in thermodynamica, relativiteit en kwantummechanica. Ondanks zijn soms lakse studiegewoonten en verveling met het universiteitsleven studeerde hij in 1962 af met een eersteklas graad.
Na zijn afstuderen bestudeerde hij korte tijd zonnevlekken bij het Oxford University Observatory. Hij realiseerde zich echter al snel dat hij meer geïnteresseerd was in theorie dan in observatie en verliet Oxford voor Trinity Hall in Cambridge, waar hij een tijdje studeerde bij Fred Hoyle, de meest vooraanstaande Engelse astronoom van dat moment.
Snel na zijn aankomst in Cambridge, op 21-jarige leeftijd, begon Hawking de eerste symptomen van amyotrofische laterale sclerose (ALS of “de ziekte van Lou Gehrig”) te ontwikkelen, een soort neuronziekte die er uiteindelijk toe zou leiden dat hij bijna alle neuromusculaire controle zou verliezen. Hoewel artsen (ten onrechte) voorspelden dat Hawking niet langer dan twee of drie jaar zou overleven, verloor hij geleidelijk het gebruik van zijn armen, benen en stem, totdat hij bijna volledig verlamd en quadriplegisch werd.
In 1965 woonde hij een lezing bij van de Engelse wiskundige Roger Penrose, die net een revolutionair artikel had gepubliceerd over singulariteiten in ruimtetijd (gebeurtenissen waarbij de wetten van de natuurkunde lijken te breken). Hawking hervond zijn energie en wijdde zich met hernieuwde kracht aan de studie van theoretische astronomie en kosmologie, met name op het gebied van zwarte gaten en singulariteiten. Hij zou later met Penrose samenwerken aan verschillende belangrijke artikelen over deze onderwerpen.
Een ander keerpunt in zijn leven kwam ook in 1965, met zijn huwelijk met een taalstudente, Jane Wilde. Met haar hulp en die van zijn PhD mentor, Dennis Sciama, voltooide Hawking zijn PhD en werd hij research fellow en vervolgens professor aan Gonville and Caius College, Cambridge.
In 1968 trad hij toe tot de staf van het Cambridge Institute of Astronomy, waar hij bleef tot 1973, en begon de wetten van de thermodynamica toe te passen op zwarte gaten met behulp van zeer complexe wiskunde. Aan het eind van de jaren 60 pasten hij en zijn vriend en Cambridge-collega Roger Penrose een complex nieuw wiskundig model toe dat ze hadden gecreëerd op basis van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, waardoor Hawking in 1970 de eerste van vele singulariteitstheorema’s kon bewijzen. Deze stelling gaf een reeks voldoende voorwaarden voor het bestaan van een singulariteit in ruimtetijd en impliceerde ook dat ruimte en tijd inderdaad een begin hadden in een Big Bang-achtige gebeurtenis en eindigden in zwarte gaten. In feite draaide hij Penrose’s idee om dat het ontstaan van een zwart gat noodzakelijkerwijs zou leiden tot een singulariteit, door te bewijzen dat het een singulariteit was die leidde tot het ontstaan van het universum zelf.
In samenwerking met Brandon Carter, Werner Israel en David Robinson leverde hij een wiskundig bewijs van John Wheeler’s “haarloze stelling”, volgens welke een zwart gat volledig wordt beschreven door de drie eigenschappen van massa, impulsmoment en elektrische lading, en stelde hij de vier wetten van de mechanica van zwarte gaten voor, vergelijkbaar met de vier klassieke wetten van de thermodynamica. Op basis van de analyse van gammastraling suggereerde hij ook dat er na de oerknal primordiale zwarte gaten of “mini-zwarte gaten” zouden zijn ontstaan.
In 1974 toonden Hawking en Jacob Bekenstein aan dat zwarte gaten in feite niet volledig zwart zijn, maar dat ze thermisch subatomaire deeltjes moeten creëren en uitzenden, tegenwoordig bekend als Hawkingstraling, totdat ze uiteindelijk hun energie opgebruiken en verdampen. Dit heeft ook geleid tot wat bekend staat als de ‘informatieparadox’ of ‘Hawking-paradox’, volgens welke fysieke informatie (wat ruwweg de identiteit en afzonderlijke eigenschappen van deeltjes betekent) volledig verloren lijkt te zijn gegaan in het universum, in tegenspraak met de geaccepteerde wetten van de natuurkunde. Hawking heeft deze paradox dertig jaar lang verdedigd tegen de argumenten van Leonard Susskind en anderen, totdat hij in 2004 op zijn beroemde standpunt terugkwam.
Deze baanbrekende prestaties werden geleverd ondanks de toenemende verlamming als gevolg van Hawking’s ALS. Tegen 1974 was hij niet meer in staat om zichzelf te voeden of uit bed te komen en zijn spraak was zo slecht dat hij alleen verstaanbaar was voor mensen die hem goed kenden. In 1985 kreeg hij een longontsteking en moest hij een tracheotomie ondergaan, waardoor hij helemaal niet meer kon spreken, hoewel verschillende vrienden en weldoeners meewerkten aan de productie van een apparaat waarmee hij met kleine bewegingen van zijn lichaam op een computer kon schrijven en dat hij vervolgens kon uitspreken met een stemsynthesizer.
In 1973 verliet hij het Instituut voor Astronomie voor het Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics en in 1979 werd hij benoemd tot Lucasian Professor of Mathematics aan de Universiteit van Cambridge, een functie die hij 30 jaar bekleedde tot zijn pensioen in 2009. Hij kreeg drie kinderen met Jane Wilde: Robert (1967), Lucy (1969) en Timothy (1979), maar het koppel scheidde uiteindelijk in 1991, blijkbaar door de druk van Hawking’s beroemdheid en zijn toenemende handicap.
Hawking’s baanbrekende onderzoek bracht hem veel roem en beroemdheid. In 1974 werd hij op 32-jarige leeftijd verkozen tot een van de jongste Fellows van de Royal Society. In 1982 werd hij benoemd tot Commander of the Order of the British Empire (CBE) en in 1989 tot Companion of Honour. Hij heeft twaalf eredoctoraten behaald, evenals talrijke andere prijzen, medailles en onderscheidingen, waaronder de Albert Einstein Prijs, de meest prestigieuze in de theoretische natuurkunde. Hij is ook bekend geworden bij een breder publiek, vooral na zijn internationaal bestseller “A Brief History of Time” (1988) en de vervolgen “The Universe in Briefing” (2001) en “A Briefer History of Time” (2005).
Hij heeft zijn onderzoek naar de explosie van zwarte gaten, snaartheorie en de geboorte van zwarte gaten in ons eigen sterrenstelsel voortgezet. Zijn werk benadrukte ook de noodzaak om algemene relativiteit en kwantumtheorie te verenigen in een allesomvattende theorie van kwantumzwaartekracht, bekend als de “theorie van alles”, vooral als we willen verklaren wat er echt gebeurde ten tijde van de Big Bang. Al in 1974 was zijn theorie over de emissie van Hawkingstraling door zwarte gaten misschien wel een van de allereerste voorbeelden van een theorie die, althans tot op zekere hoogte, een synthese is van kwantummechanica en algemene relativiteit.
Hawking’s talloze andere wetenschappelijke onderzoeken door de jaren heen omvatten de studie van kwantumkosmologie, kosmische inflatie, heliumproductie in anisotrope Big Bang-universums, “Big N” kosmologie, de dichtheidsmatrix van het universum, de topologie en structuur van het universum, babyuniversums, Yang-Mills instantonen en de S-matrix, anti-de Sitter ruimte, kwantumverstrengeling en entropie, de aard van ruimte en tijd en de pijl van de tijd, ruimte-tijdschuim, snaartheorie, superzwaartekracht, Euclidische kwantumzwaartekracht, de zwaartekracht Hamiltoniaan, Brans-Dicke en Hoyle-Narlikar gravitatietheorieën, zwaartekrachtstraling, holografie, tijdsymmetrie en wormgaten.
Nooit bang om controverse op te roepen, begon hij in de jaren 1980 zelfs de oerknaltheorie zelf in twijfel te trekken door te suggereren dat er misschien nooit een begin is geweest en dat er geen einde zou zijn, maar alleen veranderingen, een constante overgang van het ene “universum” naar het andere door haperingen in de ruimtetijd. Hij ontwikkelde zijn “onbegrensde voorstel” in samenwerking met de Amerikaanse natuurkundige Jim Hartle. In het kader van de klassieke algemene relativiteit moet het universum ofwel oneindig oud zijn of met een singulariteit zijn begonnen, maar het voorstel van Hawking en Hartle werpt een derde mogelijkheid op: het universum is eindig maar heeft geen initiële singulariteit gehad om een grens te produceren. Het verhaal van dit onbegrensde universum in “denkbeeldige tijd” kan misschien het best worden bekeken aan de hand van de analogie van het aardoppervlak, waarbij de oerknal gelijk staat aan de noordpool van de aarde en de grootte van het universum toeneemt met de denkbeeldige tijd naarmate men zich zuidelijk van de evenaar beweegt.
In 1995 trouwde Hawking met zijn verpleegster, Elaine Mason, hoewel ze in 2006 scheidden te midden van onbevestigde geruchten over fysiek misbruik, en hij heeft zich sindsdien verzoend met zijn eerste vrouw, Jane. In 2003 werd Hawking gevaarlijk ziek door een longontsteking, voordat hij zijn artsen opnieuw verraste door te herstellen en zich steeds meer aan zijn werk te wijden.
In 2004 draaide hij een van zijn controversiële beweringen over zwarte gaten (ze vernietigen alles wat erin valt en er kan geen informatie uit een zwart gat worden teruggewonnen) radicaal om, bewerend dat nieuwe ontdekkingen zouden kunnen helpen bij het oplossen van de “informatieparadox van het zwarte gat”. In zijn nieuwe definitie van zwarte gaten is de waarnemingshorizon niet zo goed afgebakend en wordt mogelijk niet alles wat erin zit volledig aan de buitenkant verborgen, en hij heeft het concept van een multiversum aangenomen om het behoud van informatie in zwarte gaten te helpen verklaren.
Hawking’s opvattingen over het bestaan van God zijn het onderwerp geweest van veel debat, vooral sinds de publicatie in 1988 van A Brief History of Time, waarin hij gelooft dat de ontdekking van een globale theorie van alles ons in staat zou stellen om “de geest van God te kennen”, wat sommigen hebben geïnterpreteerd als letterlijk en anderen als literair. In zijn boek The Grand Design uit 2010 stelt hij echter ondubbelzinnig dat “spontane schepping de reden is waarom er iets is in plaats van niets, waarom het universum bestaat, waarom wij bestaan. Je hoeft God niet aan te roepen… om het universum in beweging te zetten.”
Hawking verliet zijn functie als Lucasian Professor of Mathematics in Cambridge in 2009, in overeenstemming met het pensioenbeleid van de universiteit, en aanvaardde een Distinguished Research Chair aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada. In hetzelfde jaar ontving hij de Presidential Medal of Freedom, de hoogste burgerlijke onderscheiding van de Verenigde Staten.
Stephen Hawking overleed op 13 maart 2018 op 76-jarige leeftijd.
Vind meer over hem in ons volgende artikel: Wie was Edwin Hubble?