Hawking har leveret banebrydende viden om universets sorte huller

Af Arne Lykke Larsen, lektor i teoretisk højenergifysik, Institut for Fysik, Kemi og Farmaci.

Stephen Hawking er i Danmark, og da onde tunger taler om, at han kun er blevet kendt, fordi han overlever med sin sygdom, kan det være nyttigt at genkalde Stephen Hawkings væsentligste bidrag til fysikken og kosmologien.

Stephen Hawking begyndte at publicere videnskabelige artikler i 1965, samtidig med at han færdiggjorde sin ph.d.-afhandling.

De første fem år handlede artiklerne om sorte huller og om singulariteter i både sorte huller og i kosmologien.

Singulariteter er punkter i fysikken, som har uendelig massetæthed, uendelig krumning, uendelig ladningstæthed, osv.

I 1960'erne vidste man ikke, om singulariteter var en fysisk realitet, eller om det bare var matematiske finurligheder, som fysikken på en eller anden måde ville undgå.

Inspireret af Roger Penrose

Stephen Hawking var meget inspireret af den matematiske fysiker Roger Penrose, der tidligere havde vist, at singulariteter findes i centrum af sorte huller.

Stephen Hawking blev virkelig kendt i 1970, da han sammen med Roger Penrose viste, at singulariteter kan opstå i kosmologien, og at der kan være en begrundelse for rum og tid; et Big Bang!

Artiklen om det har i dag mere end 500 citationer i videnskabelige tidsskrifter, hvilket ingen almindelig fysiker nogensinde kan forvente at få.

Stephen Hawking har fået utallige priser over alt i verden og flere af dem sammen med Roger Penrose. Et Big Bang, der næppe holder i de mere moderne superstrengteorier, hvor man ofte taler om før Big Bang, og hvor man har løsninger for universet, der har eksisteret altid.

Til gengæld gælder Roger Penroses resultat for singulariteter i centrum af sorte huller stadig i de moderne superstrengteorier.

Teorierne om superstrenge

I begyndelsen af 1990'erne troede man, at superstrengteorierne ville annullere singulariteter i centrum af sorte huller, men snart fandt man masser af sorte huller i superstrengteorierne, og de havde de samme singulariteter som i Einsteins generelle relativitetsteori fra 1916, der omhandler tyngdekraften.

I begyndelsen af 1970’erne arbejdede Stephen Hawking på mekanikken af sorte huller, specielt termodynamikken af sorte huller, idet han havde en formodning om, at sorte huller kunne udsende varmestråling ligesom ethvert andet legeme, der har en temperatur.

Inden for den klassiske fysik kan et sort hul kun vokse, idet selv en lyspartikel, der udsendes fra det sorte hul med lysets hastighed, vil blive trukket tilbage til det sorte hul.

Men Stephen Hawking brugte kvantefysikken, hvor der gælder andre love, og en partikel for eksempel kan tunnelere igennem en højere potential barriere.

Blev verdensberømt

Arbejdet kulminerede i 1975, hvor Stephen Hawking publicerede artiklen ’Particle Creation by Black Holes’ (åbner i pdf), hvor han viste, at sorte huller kan udsende varmestråling, fordampe og helt forsvinde til sidst.

Denne opdagelse og artikel blev Stephen Hawking virkelig verdensberømt for.

Opdagelsen kaldes populært for 'Hawking Stråling', der strømmer ud af sorte huller. Processen er dog uendelig langsom for normale sorte huller, så virkelige sorte huller vil snarere vokse end forsvinde!

Omvendt er processen lynhurtig for små sorte huller, hvis de eksisterer eller kan dannes, og de vil forsvinde i en gigantisk eksplosion, som en megaton brintbombe eller atombombe!

Artiklen har i dag mere end 5.000 citationer i videnskabelige tidsskrifter og utallige andre citationer i bøger og aviser.

... men ikke som rockmusiker

I filmen om Stephen Hawkings liv, ’Teorien om Alting’, siger en ung Stephen Hawking, at han er verdensberømt som fysiker, men desværre ikke som rockmusiker, så han blev ikke millionær af berømmelsen.

I begyndelsen af 1980’erne var Stephen Hawking en af de første fysikere, der viste, at kvantefluktuationer i det oprindelige univers kunne være ansvarlig for galaksedannelsen.

Man troede jo, at universet var homogent og isotropt, altså ens i alle retninger, men hvordan kunne man så skabe galakser, stjerner og planeter?

Universet gennemgik ifølge superstrengteorierne en periode af inflation, som man kalder det, efter Big Bang eller på et eller andet tidspunkt, hvor universet blev langt, langt større på meget kort tid.

I netop denne periode kunne kvantefluktuationer skabe store forskelle i massetætheden, som senere kunne være ansvarlig for galaksedannelsen

Mange artikler om bølgefunktionen

I 1980’erne publicerede Stephen Hawking også mange artikler om bølgefunktionen for hele universet.

Det er sådan i kvantefysikken, at punktpartikler har bølgeegenskaber, for eksempel frekvens og bølgelængde, og udbredelsen af punktpartikler foregår i bølgeform.

Det kan man let lave fysikeksperimenter, der viser. Man kan eksempelvis sende en strøm af partikler ind mod en væg med to huller, og resultatet viser, at partiklerne udbreder sig som en bølge.

Omvendt har bølgen også partikelegenskaber, for eksempel masse og impuls. Man kan simpelthen følge partikel for partikel.

Sådan er det også for hele universet, der beskrives ved en bølgefunktion, der både har bølgeegenskaber og partikelegenskaber.

Fra bølgefunktionen kan man udregne egenskaber ved hele universet, som forventningsværdier og sandsynlighedsfordelinger. Stephen Hawking har specielt diskuteret randbetingelserne for hele universet.

Pensioneret, men stadig aktiv

Man kan sige, at Stephen Hawking levede af berømmelsen i resten af karrieren. Han fortsatte med at publicere 3-4 videnskabelige artikler om året. Han er for længst gået på pension, men publicerer såmænd stadigvæk.

Stephen Hawking har omkring 150 publikationer i internationale fysiktidsskrifter, og han har ca. 250 citationer per artikel, så han er helt i top og blandt de fysikere, der har bidraget mest til udviklingen i vores tid.

Stephen Hawking har publiceret videnskabelige artikler om alt fra singulariteter i sorte huller, singulariteter i kosmologien, sorte huller, inflation i det tidlige univers, kosmiske strenge osv.

Han har 16 publikationer, som har mere end 500 citationer i videnskabelige tidsskrifter, den sidste fra 1983. Jeg kunne have skrevet mere udførligt om flere af de 16 berømte artikler, men jeg har nævnt det mest væsentlige.

Dagligt kommer flere videnskabelige artikler om Hawking Stråling, nogle af dem har endda Hawking Stråling i titlen.

Stephen Hawking har udgivet adskillige bøger, som er blevet oversat til alverdens sprog, og han er en flittig debattør i aviserne om alverdens ting.

Stephen Hawking er et af de mest begavede mennesker i vores tid.