Urwana trajektoria

Nazwisko Hawkinga weszło już do języka potocznego. Dziś jest on już wymieniany jednym tchem obok Alberta Einsteina jako „po prostu fizyk” – jedna z pierwszych osób, które przychodzą nam do głowy, gdy myślimy o nauce i kosmosie. Brytyjski matematyk i kosmolog Roger Penrose, w długim pożegnaniu swojego wieloletniego współpracownika i przyjaciela – opublikowanym w „The Guardian” 14 marca, a więc w dniu jego śmierci – słusznie zauważył, że Hawking z wielką przyjemnością przyjął sławę, która na niego spadła. Pozwalała mu nie tylko mówić o wszechświecie i matematyce, publicznie walczyć o sprawę osób chorych i niepełnosprawnych, ale także utrzymać do końca życia finansową niezależność. Od 1963 r., kiedy to – mając zaledwie 21 lat – usłyszał od lekarzy, że cierpi na postępujące stwardnienie zanikowe boczne, z każdym rokiem rosła otaczająca go świta pielęgniarek, lekarzy i asystentów. Hawking nie zrezygnował zaś z aktywności naukowej i popularyzatorskiej, dyktując kolejne artykuły i teksty wykładów. Oddając mu miejsce na łamach dodatku poświęconego przełomom w nauce, nie musimy nawet w minimalnym stopniu naginać prawdy – Hawking walnie przyczynił się do przynajmniej jednego znaczącego kroku naprzód w naszym rozumieniu wszechświata. Aby docenić jego wkład w fizykę, cofnijmy się do przełomu lat 60. i 70. XX w., kiedy to powstały jego najważniejsze prace naukowe.

Ogólna teoria względności (OTW) to matematyczny opis kształtu przestrzeni. Aparat teoretyczny OTW jest jednak, no właśnie, tylko strukturą matematyczną. Od 1915 r., kiedy zostały opublikowane kluczowe dla tej teorii tzw. równania pola Einsteina, najważniejsze stało się pytanie, które z rozlicznych możliwych konsekwencji tej teorii rzeczywiście dotyczą świata fizycznego, a które są tylko ciekawostką matematyczną.

Ot, czarne dziury. Już w 1916 r. niemiecki matematyk Karl Schwarzschild wykazał, że w ramach teorii Einsteina da się opisać konfigurację czasoprzestrzeni, w środku której znajduje się tzw. osobliwość: punkt, w otoczeniu którego krzywizna czasoprzestrzeni zdąża do nieskończoności. Jeżeli mówimy o tym wyłącznie jako o obiekcie matematycznym, nie jest to jeszcze koniec świata. Dopiero wtedy, gdy obiekt ten zacznie nam służyć do opisu jakiegoś rzeczywistego zjawiska fizycznego, zachodzącego w otaczającej nas, realnej przestrzeni świata, osobliwość staje się naprawdę… końcem świata. Przez kolejne dziesięciolecia nie było jasne, czy osobliwości tego typu są wyłącznie kłopotliwym gościem w kajetach matematyków, czy też zagrażają spójności naszego własnego wszechświata. W taką właśnie atmosferę niepewności wkroczył w połowie lat 60. Stephen Hawking, wówczas doktorant na Uniwersytecie Cambridge.

W 1965 r. Penrose opublikował pracę („Gravitational Collapse and Space-Time Singularities”), w której wykazał, że zapadająca się materia musi doprowadzić do lokalnego powstania osobliwości, nawet w nieidealnym świecie fizycznym, w którym nie obowiązują niektóre dogodne uproszczenia matematyczne, np. założenie doskonałej symetrii. Zainspirowany tym tekstem Hawking rozszerzył wynik Penrose’a, obejmując nim już całą czasoprzestrzeń wszechświata. W 1966 r. przedstawił swoją pracę doktorską, której rozdział czwarty opisywał te zagadnienia na sposób ścisły. Wydawało się, że osobliwościom zostaje zapewnione solidne miejsce w opisie rzeczywistości.

W następnych latach Hawking wraz z Penrose’em opracowują szereg narzędzi matematycznych, pozwalających na wykrywanie i opisywanie osobliwości. Przyjęta przez nich metoda opiera się na śledzeniu cząstek. Jeżeli wyobrazimy sobie, że każda cząstka zostawia po sobie w czasoprzestrzeni ślad, to o istnieniu osobliwości miałyby świadczyć po prostu… urwane trajektorie.

W 1970 r. Hawking z Penrose’em opublikowali artykuł („The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology”), gdzie intuicje te zostały sprowadzone do postaci matematycznych twierdzeń, a w 1973 r. z George’em Ellisem podręcznik, dziś klasyczny, „Large-Scale Structure of Space-Time”, w którym przedstawiony został syntetyczny opis czasoprzestrzeni, m.in. ze względu na wspomniane ograniczenia ruchu cząstek, a więc i możliwości przesyłania sygnałów. Książka ta do dziś stanowi jedno z najważniejszych rozwinięć Einsteinowskiej teorii względności.

W następnych dekadach zainteresowania Hawkinga zwróciły się ku związkom pomiędzy kosmologią a teorią kwantową. Jest m.in. współautorem hipotezy tzw. parowania czarnych dziur – nazywanego też po prostu parowaniem Hawkinga. Jest to niepotwierdzony jeszcze mechanizm, dzięki któremu owe, jak się sądzi konwencjonalnie, „leje bez dna” mogłyby jednak powolutku gubić masę poprzez typowo kwantowy proces emitowania cząstek z próżni.

W latach 80. Hawking, który łączył w sobie niezwykłą historię osobistą z niekłamanym szacunkiem najwybitniejszych fizyków świata, został wywindowany do roli gwiazdy naukowej popkultury. Przełomowym momentem było wydanie w 1988 r. „Krótkiej historii czasu”, która szybko stała się bestsellerem. Rynek wydawniczy nie był wówczas tak nasycony jak dziś, a książka Hawkinga zapełniła potężną – jak się okazało – lukę, opowiadając o kosmosie i nauce w przystępny, nieprzeciążony matematyką sposób.

Z każdym kolejnym rokiem Hawking pozwalał sobie na coraz więcej, współpracując z muzykami (trudno zapomnieć choćby jego głos w „Keep Talking” Pink Floydów) oraz twórcami niezliczonych filmów i kreskówek, a także wypowiadając się na najróżniejsze tematy, od sztucznej inteligencji i przyszłości rasy ludzkiej, po życie pozaziemskie i Boga. Jego komentarze budziły często tyleż zainteresowania, co kontrowersji, i niejednokrotnie zarzucano mu podpieranie się autorytetem nauki, gdy przychodziło po prostu do głoszenia prywatnych poglądów. Trudno jednak zaprzeczyć, że opinia Hawkinga będzie jeszcze przez długie dekady punktem orientacyjnym w sprawach dotyczących zagadek kosmosu – zarówno tych czysto naukowych, jak i tych zgoła metafizycznych. ©

Łukasz Lamża