Opi lisää yhdestä tieteen tukipilarista tässä lyhyessä blogikirjoituksessa.
Mikä oli Stephen Hawkingin tarina?
Stephen Hawking on maailmankuulu brittiläinen teoreettinen fyysikko, joka tunnetaan panoksestaan kosmologian, yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttigravitaation aloilla, erityisesti mustien aukkojen yhteydessä. Hän työskenteli 1960- ja 1970-luvuilla uraauurtavien teorioiden parissa yleisen suhteellisuusteorian singulariteeteista ja teki teoreettisen ennusteen, jonka mukaan mustat aukot säteilevät säteilyä (nykyään Hawkingin säteily). Hän on myös julkaissut useita suosittuja tieteellisiä kirjoja, joissa hän käsittelee omia teorioitaan ja kosmologiaa yleensä, mukaan lukien bestseller ”A Short History of Time”, ja häntä pidetään yhtenä fysiikan suurimmista ajattelijoista sitten Albert Einsteinin. Hänen omien sanojensa mukaan: ”Tavoitteeni on yksinkertainen. Se on ymmärtää maailmankaikkeus täydellisesti, miksi se on sellainen kuin se on ja miksi se ylipäätään on olemassa.”
Stephen William Hawking syntyi 8. tammikuuta 1942 Oxfordissa, Englannissa, keskellä toista maailmansotaa. Kun hän oli syntynyt Oxfordin suhteellisen turvallisessa ympäristössä, perhe palasi Lontooseen, jossa hänen isänsä johti kansallisen lääketieteellisen tutkimuslaitoksen parasiittiosastoa huolimatta jatkuvasta Saksan ilmavoimien pommitusten vaarasta. Vuonna 1950 Hawking muutti perheensä kanssa St. Albansiin, jossa hän kävi St. Albans High School for Girls -koulua vuosina 1950-1953 (pojat saivat käydä koulua 10-vuotiaaksi asti). 11-vuotiaasta lähtien hän kävi St. Albans Schoolia, jossa hän oli hyvä, joskaan ei erinomainen oppilas.
Vuonna 1959 hän sai stipendin University Collegeen Oxfordissa, isänsä vanhaan collegeen, jossa hän opiskeli fysiikkaa Robert Bermanin johdolla (lähinnä siksi, että hänen mieltymyksensä, matematiikka, ei ollut siellä tarjolla) ja jossa hän kiinnostui erityisesti termodynamiikasta, suhteellisuudesta ja kvanttimekaniikasta. Huolimatta toisinaan löysistä opiskelutottumuksistaan ja kyllästymisestään yliopistoelämään hän valmistui vuonna 1962 ensiluokkaisella arvosanalla.
Valmistumisensa jälkeen hän vietti lyhyen aikaa Oxfordin yliopiston observatoriossa tutkimassa auringonpilkkuja. Pian hän kuitenkin huomasi, että häntä kiinnosti enemmän teoria kuin havainnointi, ja hän lähti Oxfordista Cambridgen Trinity Halliin, jossa hän opiskeli jonkin aikaa Fred Hoylen, aikansa merkittävimmän englantilaisen tähtitieteilijän, johdolla.
Pian Cambridgeen saavuttuaan, 21-vuotiaana, Hawking alkoi saada amyotrofisen lateraaliskleroosin (ALS eli ”Lou Gehrigin tauti”) ensimmäisiä oireita, eräänlaisen liikehermosairauden, joka lopulta johti siihen, että Hawking menetti melkein kaiken hermo-lihaskontrollin. Vaikka lääkärit ennustivat (virheellisesti), että Hawking ei selviäisi hengissä kahta tai kolmea vuotta kauempaa, hän menetti vähitellen kätensä, jalkojensa ja äänensä käytön, kunnes hänestä tuli lähes täysin halvaantunut ja neliraajahalvaantunut.
Vuonna 1965 hän osallistui englantilaisen matemaatikon Roger Penrosen luennolle, joka oli juuri julkaissut vallankumouksellisen artikkelin aika-avaruuden singulariteeteista (tapahtumista, joissa fysiikan lait näyttävät murtuvan). Hawking sai uutta puhtia ja omistautui uudella tarmolla teoreettisen tähtitieteen ja kosmologian tutkimiselle, erityisesti mustien aukkojen ja singulariteettien alalla. Myöhemmin hän teki Penrosen kanssa yhteistyötä useissa näitä aiheita koskevissa tärkeissä artikkeleissa.
Toinen käännekohta hänen elämässään tapahtui myös vuonna 1965, kun hän avioitui kieltenopiskelija Jane Wilden kanssa. Hänen ja hänen väitöskirjan ohjaajansa Dennis Sciaman avulla Hawking sai väitöskirjansa valmiiksi ja hänestä tuli ensin tutkijatohtori ja sitten professori Gonville and Caius Collegessa Cambridgessa.
Vuonna 1968 hän liittyi Cambridgen tähtitieteen instituutin henkilökuntaan, jossa hän työskenteli vuoteen 1973 asti, ja alkoi soveltaa termodynamiikan lakeja mustiin aukkoihin erittäin monimutkaisen matematiikan avulla. 1960-luvun lopulla hän ja hänen ystävänsä ja Cambridgen kollegansa Roger Penrose sovelsivat Albert Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvaa uutta monimutkaista matemaattista mallia, jonka avulla Hawking todisti ensimmäisen monista singulariteettilauseista vuonna 1970. Tämä lause tarjosi joukon riittäviä ehtoja avaruusajan singulariteetin olemassaololle ja antoi myös ymmärtää, että avaruus ja aika olisivat todellakin saaneet alkunsa Big Bang -tyyppisessä tapahtumassa ja päättyneet mustiin aukkoihin. Itse asiassa hän kumosi Penrosen ajatuksen, jonka mukaan mustan aukon syntyminen johtaisi välttämättä singulariteettiin, osoittamalla, että juuri singulariteetti johti itse maailmankaikkeuden syntymiseen.
Yhteistyössä Brandon Carterin, Werner Israelin ja David Robinsonin kanssa hän toimitti matemaattisen todisteen John Wheelerin ”hiuksettomalle teoreemalle”, jonka mukaan mitä tahansa mustaa aukkoa kuvaavat täysin kolme ominaisuutta: massa, kulmamomentti ja sähkövaraus, ja ehdotti mustien aukkojen mekaniikan neljä lakia, jotka muistuttavat termodynamiikan neljää klassista lakia. Gammasäteilyä analysoimalla hän esitti myös, että alkumustat aukot tai ”minimustat aukot” olisivat muodostuneet alkuräjähdyksen jälkeen.
Hawking ja Jacob Bekenstein osoittivat vuonna 1974, että mustat aukot eivät itse asiassa ole täysin mustia, vaan niiden on lämpövaikutuksella luotava ja emittoitava subatomisia hiukkasia, jotka tunnetaan nykyään Hawkingin säteilynä, kunnes ne lopulta kuluttavat energiansa loppuun ja haihtuvat. Tämä on myös synnyttänyt niin sanotun ”informaatioparadoksin” tai ”Hawkingin paradoksin”, jonka mukaan fysikaalinen informaatio (jolla tarkoitetaan karkeasti hiukkasten identiteettiä ja erillisiä ominaisuuksia) näyttää olevan täysin kadonnut maailmankaikkeudesta, mikä on ristiriidassa hyväksyttyjen fysiikan lakien kanssa. Hawking puolusti tätä paradoksia Leonard Susskindin ja muiden väitteitä vastaan kolmenkymmenen vuoden ajan, kunnes hän tunnetusti perui sen vuonna 2004.
Nämä huippuluokan saavutukset saavutettiin huolimatta Hawkingin ALS-taudin aiheuttamasta lisääntyvästä halvaantumisesta. Vuoteen 1974 mennessä hän ei pystynyt ruokkimaan itseään eikä nousemaan sängystä, ja hänen puheensa oli niin heikkoa, että häntä ymmärsivät vain ihmiset, jotka tunsivat hänet hyvin. Vuonna 1985 hän sairastui keuhkokuumeeseen ja joutui tekemään trakeotomian, jonka vuoksi hän ei enää pystynyt puhumaan, vaikka useat ystävät ja hyväntekijät tekivät yhteistyötä sellaisen laitteen valmistamiseksi, jonka avulla hän pystyi kirjoittamaan tietokoneelle pienillä vartalon liikkeillä ja lausumaan kirjoittamansa asiat äänisyntetisaattorin avulla.
Vuonna 1973 hän siirtyi tähtitieteen instituutista sovelletun matematiikan ja teoreettisen fysiikan laitokselle, ja vuonna 1979 hänet nimitettiin Cambridgen yliopiston matematiikan Lucasian-professoriksi, jota tehtävää hän hoiti 30 vuotta eläkkeelle siirtymiseensä asti vuonna 2009. Hän sai Jane Wilden kanssa kolme lasta: Robert (1967), Lucy (1969) ja Timothy (1979), mutta pariskunta erosi lopulta vuonna 1991, ilmeisesti Hawkingin julkisuuden ja hänen lisääntyvän vammaisuutensa aiheuttamien paineiden vuoksi.
Hawkingin uraauurtava tutkimus toi hänelle huomattavaa kuuluisuutta ja julkisuutta. Vuonna 1974 hänet valittiin 32-vuotiaana yhdeksi Royal Societyn nuorimmista jäsenistä. Hänestä tehtiin Britannian imperiumin ritarikunnan komentaja (CBE) vuonna 1982 ja kunniatoveri (Companion of Honour) vuonna 1989. Hänelle on kertynyt kaksitoista kunniatohtorin arvonimeä sekä lukuisia muita palkintoja, mitaleita ja palkintoja, kuten Albert Einstein -palkinto, joka on teoreettisen fysiikan arvostetuin palkinto. Hän on tullut tunnetuksi myös laajemmalle yleisölle erityisesti vuonna 1988 ilmestyneen kansainvälisen bestsellerin ”Ajan lyhyt historia” ja sen jatko-osien ”The Universe in Brief” (2001) ja ”A Briefer History of Time” (2005) jälkeen.
Hän on jatkanut tutkimuksiaan mustien aukkojen räjähdyksestä, säieteoriasta ja mustien aukkojen synnystä omassa galaksissamme. Hänen työnsä korostivat myös tarvetta yhdistää yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttiteoria kattavaksi kvanttigravitaatioteoriaksi, joka tunnetaan nimellä ”kaiken teoria”, erityisesti jos haluamme selittää, mitä todella tapahtui alkuräjähdyksen aikaan. Hänen jo vuonna 1974 esittämänsä teoria mustien aukkojen Hawkingin säteilystä oli ehkä yksi ensimmäisistä esimerkeistä teoriasta, jossa kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria on ainakin jossain määrin yhdistetty.
Hawkingin lukemattomiin muihin tieteellisiin tutkimuksiin vuosien varrella kuuluvat muun muassa kvanttikosmologian, kosmisen inflaation, heliumin tuotannon tutkiminen anisotrooppisissa alkuräjähdysuniversumeissa, ”Big N” -kosmologia, maailmankaikkeuden tiheysmatriisi, maailmankaikkeuden topologia ja rakenne, vauvauniversumit, Yang-Millsin instantonit ja S-matriisi, anti-de-Sitterin avaruus, kvanttikietoutuminen ja entropia, avaruuden ja ajan luonne ja ajan nuoli, avaruusaikavaahto, säieteoria, supergravitaatio, euklidinen kvanttigravitaatio, gravitaatiohamiltonilainen, Brans-Dicke- ja Hoyle-Narlikar- gravitaatioteoriat, gravitaatiosäteily, holografia, aikasymmetria ja madonreiät.
Ei koskaan pelännyt herättää kiistoja, hän alkoi jopa kyseenalaistaa itse alkuräjähdysteoriaa 1980-luvulla ja ehdotti, että alkua ei ehkä ole koskaan ollutkaan ja että loppua ei ole, vaan ainoastaan muutoksia, jatkuvaa siirtymistä yhdestä ”maailmankaikkeudesta” toiseen aika-avaruuden kapeikkojen kautta. Hän kehitti ”rajattoman ehdotuksensa” yhteistyössä amerikkalaisen fyysikon Jim Hartlen kanssa. Klassisen yleisen suhteellisuusteorian puitteissa maailmankaikkeuden on joko oltava äärettömän vanha tai sen on täytynyt alkaa singulariteetista, mutta Hawkingin ja Hartlen ehdotus tuo esiin kolmannen mahdollisuuden: maailmankaikkeus on äärellinen, mutta sillä ei ole ollut alkusingulariteettia, joka olisi tuottanut rajan. Tarinaa tästä rajattomasta maailmankaikkeudesta ”kuvitteellisessa ajassa” voidaan ehkä parhaiten tarkastella käyttämällä analogiaa maapallon pinnasta, jossa alkuräjähdys vastaa maapallon pohjoisnapaa ja maailmankaikkeuden koko kasvaa kuvitteellisen ajan myötä, kun siirrytään päiväntasaajalta etelään.
Vuonna 1995 Hawking meni naimisiin sairaanhoitajansa Elaine Masonin kanssa, mutta he erosivat vuonna 2006 vahvistamattomien fyysistä väkivaltaa koskevien huhujen vuoksi, ja sittemmin Hawking on tehnyt sovinnon ensimmäisen vaimonsa Janen kanssa. Vuonna 2003 Hawking sairastui vaarallisesti keuhkokuumeeseen, mutta yllätti jälleen kerran lääkärit toipumalla ja omistautumalla yhä enemmän työlleen.
Vuonna 2004 hän kumosi radikaalisti yhden kiistanalaisista väitteistään mustista aukoista (ne tuhoavat kaiken, mikä niihin putoaa, eikä mustasta aukosta voi saada tietoa talteen) väittäen, että uudet löydökset voisivat auttaa ratkaisemaan ”mustien aukkojen tietoparadoksin”. Hänen uudessa mustien aukkojen määritelmässään tapahtumahorisontti ei ole yhtä hyvin rajattu eikä se välttämättä kätke kaikkea sen sisällä olevaa täysin ulkopuolelta, ja hän otti käyttöön multiversumin käsitteen, joka auttaa selittämään tiedon säilymisen mustissa aukoissa.
Hawkingin näkemykset Jumalan olemassaolosta ovat herättäneet paljon keskustelua erityisesti sen jälkeen, kun hän julkaisi vuonna 1988 teoksen Ajan lyhyt historia (A Brief History of Time), jossa hän uskoo, että globaalin teorian löytäminen kaikesta antaisi meille mahdollisuuden ”tuntea Jumalan mielen”, minkä jotkut ovat tulkinneet kirjaimelliseksi ja toiset kirjalliseksi. Vuonna 2010 ilmestyneessä kirjassaan The Grand Design hän kuitenkin toteaa yksiselitteisesti, että ”spontaani luominen on syy siihen, miksi on olemassa jotakin eikä mitään, miksi maailmankaikkeus on olemassa, miksi me olemme olemassa”. Sinun ei tarvitse vedota Jumalaan… saadaksesi maailmankaikkeuden liikkeelle.”
Hawking jätti Lucasin matematiikan professorin viran Cambridgessä vuonna 2009 yliopiston eläkkeelle siirtymistä koskevan politiikan mukaisesti ja otti vastaan arvostetun tutkimusprofessuurin Perimeter Institute for Theoretical Physics -instituutissa Waterloossa Kanadassa. Samana vuonna hänelle myönnettiin presidentin vapaudenmitali, Yhdysvaltojen korkein siviilikunnianosoitus.
Stephen Hawking kuoli 76-vuotiaana 13. maaliskuuta 2018.
Löydä lisää seuraavasta artikkelistamme: Kuka oli Edwin Hubble?