У среду, 14. марта, на дан када је широм света обележаван дан броја π и рођендан Алберта Ајнштајна (Алберт Еинстеин), свет је изгубио Стивена Хокинга (Степхен Хаwкинг), једног од најпознатијих теоријских физичара и популаризатора физике. Генерације будућих теоријских физичара упознавале су прве појмове о космологији из јасне и занимљиве Хокингове “Кратке повести времена“, истраживања многих теоријских физичара инспирисана су многобројним револуционарним Хокинговим идејама о црним рупама и настанку свемира.
Међутим, као што то често бива са појединим познатим и важним научницима, њихови „обожаваоци“ често и не знају зашто су њихови „идоли“ стварно важни. Сетимо се само Алберта Ајнштајна, Николе Тесле и многих других… сви знамо да је њихов допринос савременој цивилизацији од непроцењивог значаја, али многи се добро замисле, а често и дају погрешне одговоре, ако их питате који је њихов допринос науци. Стивен Хокинг је још другачији од њих, током претходних деценија постао је идол многих, омиљени теоријски физичар и научник широм планете, а тек ретки успели су да разумеју његове идеје и њихов значај.
Највећи део научног рада Стивена Хокинга био је у „областима“ у којима се спајају теорија гравитације и квантна теорија. Његови радови и теоријски модели описивали су физичке системе на граници нашег знања, системе огромне масе и малих димензија – црне рупе и свемир у време његовог настанка.
Шездесетих година прошлог века, заједно са Роџером Пенроузом (Рогер Пенросе) Хокинг је радио на објашњавању црних рупа. Тада су њих двојица истраживање усмерила на границу применљивости опште теорије релативности (ОТР).
Познато је да се ОТР у два случаја сусреће са једним, истим, великим проблемом. У завршној фази еволуције масивних звезда, онда када је сво „гориво“ потрошено, као и у најранијој фази живота свемира, у време када су густине и температуре биле огромне, ОТР не може да нам помогне у описивању простор-времена. Резултат Ајнштајнових једначина, које су основа ОТР, у овим случајевима даје сингуларитет (бесконачности).
У популарној науци о сингуларитету говоримо као о тачки са бесконачном масом, бесконачној густини, бесконачној закривљености простор-времена, али у физици је (мало) другачије. Тачка сингуларитета настаје током гравитационог колапса масивне звезде. Огромна маса звезде ствара врло јако гравитационо поље које „дроби“ и сабија сву материју од које је звезда изграђена. Чак ни силе унутар атома и атомских језгара нису довољно снажне да се супротставе гравитацији. Током колапса звезде гравитација сабија сву материју, све честице, електроне, протоне, неутроне, у једну тачку – тачку сингуларитета. Током овог процеса материја прелази у енергију а простор-време мења своју структуру и постаје много другачије од овог које познајемо.
ОТР предвиђа две врсте сингуларитета. Први сингуларитет настаје код црних рупа и карактерише га бесконачна вредност закривљености простор-времена. Друга врста сингуларитета је тачка на врху купе (конуса) – тачка из које је могуће ићи само назад по површини конуса. Овај сингуларитет се појављује у великом праску.
Пенроуз је 1965. године дефинисао теорему којом је објаснио сингуларитет црних рупа којом је показао да сваки гравитациони колапс мора да доведе до формирања сингуларитета. Проширивањем ове теореме на цео свемир Хокинг је 1970. године формулисао прву у низу теорема којом је објаснио настанак свемира из сингуларитета – Велики прасак. Такође, Хокинг је показао и да за описивање сингуларитета није довољна само ОТР, већ је због велике густине неопходно укључивање и квантних ефеката. Овом теоремом Хокинг је такође показао да је немогуће дефинисати шта је било пре Великог праска (а то је сликовито описао речима „не може се ићи на север са Северног пола“).
Следеће велики допринос Стивена Хокинга било је откриће да „црне рупе нису тако црне“, тј. откриће испаравања црних рупа, познатог као Хокингово зрачање (или Хаwкинг–Зел’довицх зрачење).
Према овој теорији црне рупе емитују енергију као црно тело због квантних ефеката који се одигравају у близини хоризонта догађаја. Године 1973. Хокинг је боравио у Москви и тамо су му Јаков Зелдович (Yаков Зел’довицх) и Алексеј Старобински (Алеxеи Старобинскy) показали да према Хајзенберговом принципу неодређености неке црне рупе могу да емитују зрачење.
Хокинг је показао да се на хоризонту догађаја ротирајућих црних рупа одигравају процеси који доводе до емитовања енергије и њиховог испаравања. У равном простору флуктуације вакуума, као последица Хајзенберговог принципа неодређености, омогућавају креирање виртуелних парова честице/античестице које се убрзо поново анихилирају. Хокингово зрачење настаје кад се процес креирања једног оваквог пара одигра близу границе црне рупе, а један члан виртуелног пара бива заробљен иза хоризонта црне рупе, док други остаје као нова честица (или античестица). Јако гравитационо поље црне рупе утиче на одигравање овог процеса у близини хоризонта и на тај начин губи енергију. Хокинг је показао да у овом процесу црне рупе испаравају и на крају нестају, ако на неки други начин не сакупљају нову масу. Према овом предвиђању што је црна рупа мања она више зрачи, па је тако предвиђено да микро црне рупе емитују највише зрачења и најбрже испаравају. У случају да су постојеће теорије о екстрадимензијама тачне, овакве микро црне рупе могу да настану у ЛХЦ-у (ЦЕРН). Међутим, ако би настале оне не би, као што су неки предвиђали, прогутале Земљу, већ би услед Хокинговог зрачења нестале (испариле) емитујући велику количину зрачења пре него што успеју да „прогутају“ нову материју.
[цаптион ид=”аттацхмент_18535″ алигн=”алигнцентер” wидтх=”600″]
Извор: футурисм.цом[/caption]
Последица Хокинговог зрачења је и познати парадокс губљења информација у црној рупи (но хаир теорема). Према овом парадоксу, који је Хокинг формулисао, све информације о материји која упадне у црну рупу нестају, а остаје само маса. Енергија, која се кроз креирање виртуелних парова, материјализује, ствара потпуно нову материју чије особине нису повезане са материјом која је упала у црну рупу.
Даља Хокингова истраживања ишла су у правцу трагања за одговорима о настанку великих структура у свемиру. Према теорији Великог праска основа великих структура настала је у фази развоја раног свемира која је позната као инфлација. Инфлација је период у коме су се за врло кратко време (10-34 секунде) димензије свемира вишеструко (експоненцијално) повећале (1026 пута).
Убрзо након успешног објављивања теорије инфлације (1981) примећено је да та теорија, осим што решава познате проблеме стандардног космолошког модела, може да објасни и настанак флуктуација у раном свемиру, од којих су касније настале велике структуре. До овог открића, независно један од другог, дошли су Хокинг, Старобински и Алан Гут (Аллан Гутх).
Механизам настака флуктуација најједноставније се може објаснити на основу аналогије са Хокинговим зрачењем црних рупа. Сличан процес одиграва се током инфлације – ширење свемира је толико брзо да настали виртуелни парови честица и античестица бивају међусобно раздвојени у (каузално) неповезане делове свемира. Као последица виртуелне честице не могу поново да се анихилирају, тј. квантне флуктуације прелазе у класичне особине свемира.
Хокингове теорије отвориле су другачији поглед на гравитацију, црне рупе и рани свемир. Дале су много одговора али и поставиле многа питања садашњим и будућим генерацијама теоријских физичара. Нажалост, Хокинг никада није добио Нобелову награду. Разлог за то није је то што су његове теорије још увек далеко од наших експеримената, далеко у простору и далеко у времену. Међутим, истраживања и технологија полако напредују у правцу када ће и многе од његових теорија постати доступне експерименталном тестирању.
Тешко је испричати причу о Хокинговом раду а не поменути његов рад области научне комуникације и промоције теоријске физике и физике и науке уопште. Много нас је читајући његову „Кратку повест времена“ кренуло путем упознавања и истраживања свемира, црних рупа и Великог праска. Насупрот његовим радовима које тешко читају и разумеју многи теоријски физичари ову Хокингову књигу, која је 100 недеља била на првом месту бестселера према листи Њујорк Тајмса, прочитали су и разумели милиони људи. Кроз њу, као и многе друге књиге и научно-популарне текстове који су дошли касније Хокинг је ширио знање о вероватно најкомпликованијим областима људског знања, на занимљив, једноставан и разумљив начин.
На крају, уз све ово, Стивен Хокинг оставио је пуно инспирације и задатака будућим генерацијама физичара, и још један разлог да 14. март у свету постане још познатији „дан науке“.
Објављено: Нови магазин 360, 22. март 2018.
