Het beeld van de op 76-jarige leeftijd overleden Stephen Hawking in zijn gemotoriseerde rolstoel, met het hoofd lichtjes naar één kant gebogen en de handen gekruist om de besturing te bedienen, sprak tot de verbeelding van het publiek, als een waar symbool van de triomf van de geest over de materie. Net als bij het orakel van Delphi in het oude Griekenland, leek zijn fysieke handicap te worden gecompenseerd door bijna bovennatuurlijke gaven, waardoor zijn geest vrij door het universum kon zwerven en bij gelegenheid raadselachtig enkele geheimen onthulde die voor gewone stervelingen verborgen bleven.
Zulk een geromantiseerd beeld kan natuurlijk slechts een gedeeltelijke waarheid weergeven. Degenen die Hawking kenden, zouden duidelijk de dominante aanwezigheid van een echt mens waarderen, met een enorme levenslust, veel humor en een enorme vastberadenheid, maar toch met normale menselijke zwakheden, naast zijn meer voor de hand liggende sterke punten. Het lijkt duidelijk dat hij veel plezier beleefde aan zijn algemeen waargenomen rol als “de nummer 1 celebrity scientist”; zijn openbare lezingen werden door een groot publiek bijgewoond, misschien niet altijd alleen voor wetenschappelijke opvoeding.
De wetenschappelijke gemeenschap zou een nuchterder oordeel kunnen vellen. Hij stond zeer hoog aangeschreven, gezien zijn vele indrukwekkende, soms revolutionaire bijdragen aan het begrip van de fysica en de geometrie van het heelal.
Hawking was kort na zijn 21e verjaardag gediagnosticeerd als lijdend aan een niet nader omschreven ongeneeslijke ziekte, die vervolgens werd geïdentificeerd als de fatale degeneratieve motorneuronziekte amyotrofe laterale sclerose, of ALS. Spoedig daarna, in plaats van toe te geven aan een depressie, zoals anderen misschien hadden gedaan, begon hij zich te richten op enkele van de meest fundamentele vragen over de fysieke aard van het universum. Na verloop van tijd zou hij buitengewone successen boeken tegen de zwaarste fysieke handicaps in. Tegen de gevestigde medische opvattingen in, wist hij nog 55 jaar te leven.
Hij had een academische achtergrond, zij het niet direct in de wiskunde of natuurkunde. Zijn vader, Frank, was een expert in tropische ziekten en zijn moeder, Isobel (geboren Walker), was een vrijdenkende radicale die een grote invloed op hem had. Hij werd geboren in Oxford en verhuisde naar St Albans, Hertfordshire, toen hij acht was. Hij werd opgeleid aan de school van St Albans en won een beurs om natuurkunde te studeren aan het University College in Oxford. Hij werd door zijn docenten als buitengewoon bekwaam beschouwd, maar nam zijn werk niet helemaal serieus. Hoewel hij in 1962 een eerstegraads graad behaalde, was het geen bijzonder uitmuntend diploma.
Hij besloot zijn loopbaan in de natuurkunde voort te zetten in Trinity Hall, Cambridge, met het voorstel om bij de vooraanstaande kosmoloog Fred Hoyle te gaan studeren. Hij was teleurgesteld dat Hoyle hem niet kon aannemen. De beschikbare persoon op dat gebied was Dennis Sciama, een onbekende voor Hawking in die tijd. In feite bleek dit toeval te zijn, want Sciama was een buitengewoon stimulerende figuur in de Britse kosmologie aan het worden, en hij zou verscheidene studenten begeleiden die in latere jaren indrukwekkende namen voor zichzelf zouden maken (waaronder de toekomstige astronoom koninklijke Lord Rees of Ludlow).
Sciama scheen alles te weten wat er in die tijd in de natuurkunde gaande was, vooral in de kosmologie, en hij bracht een aanstekelijke opwinding over op allen die hem ontmoetten. Hij was ook zeer effectief in het bijeenbrengen van mensen die wellicht iets van betekenis hadden om met elkaar te communiceren.
Toen Hawking in zijn tweede onderzoeksjaar in Cambridge was, had ik (toen aan het Birkbeck College in Londen) een zekere wiskundige stelling opgesteld die van belang was. Deze toonde aan, op basis van een paar plausibele veronderstellingen (door het gebruik van globale/topologische technieken die grotendeels onbekend waren bij fysici in die tijd) dat een instortende over-massieve ster zou resulteren in een singulariteit in de ruimte-tijd – een plaats waar men zou verwachten dat dichtheden en krommingen in de ruimte-tijd oneindig zouden worden – wat ons het beeld geeft van wat we nu een “zwart gat” noemen. Zo’n ruimte-tijd singulariteit zou diep binnen een “horizon” liggen, waar geen enkel signaal of materieel lichaam doorheen kan ontsnappen. (Dit beeld was reeds in 1939 door J Robert Oppenheimer en Hartland Snyder naar voren gebracht, maar alleen in de speciale omstandigheid waarin een exacte sferische symmetrie werd aangenomen. Het doel van deze nieuwe stelling was om dergelijke onrealistische symmetrie-aannames te vermijden). Bij deze centrale singulariteit zou Einsteins klassieke algemene relativiteitstheorie haar grenzen hebben bereikt.
Tussen had Hawking ook over dit soort problemen nagedacht met George Ellis, die bezig was aan een doctoraat aan het St John’s College in Cambridge. De twee mannen werkten aan een meer beperkt type van “singulariteitstheorema” dat een onredelijk beperkende veronderstelling vereiste. Sciama maakte er een punt van om Hawking en mij bij elkaar te brengen, en het duurde niet lang voordat Hawking een manier vond om mijn stelling op een onverwachte manier te gebruiken, zodat deze kon worden toegepast (in een in tijd omgekeerde vorm) in een kosmologische setting, om aan te tonen dat de ruimte-tijd singulariteit die de “big bang” wordt genoemd ook een kenmerk was van niet alleen de standaard zeer symmetrische kosmologische modellen, maar ook van elk kwalitatief vergelijkbaar maar asymmetrisch model.
Enkele van de aannames in mijn oorspronkelijke stelling lijken in de kosmologische setting minder natuurlijk dan ze zijn voor instorting tot een zwart gat. Om het wiskundige resultaat te veralgemenen en dergelijke veronderstellingen te schrappen, begon Hawking aan een studie van nieuwe wiskundige technieken die relevant leken voor het probleem.
Een krachtig geheel van wiskundig werk, bekend als Morse theorie, maakte deel uit van de machinerie van wiskundigen die actief waren in de globale (topologische) studie van Riemannse ruimten. De ruimten die in Einsteins theorie worden gebruikt zijn echter in werkelijkheid pseudo-Riemannse ruimten en de relevante Morse theorie verschilt op subtiele maar belangrijke manieren. Hawking ontwikkelde de noodzakelijke theorie voor zichzelf (in bepaalde opzichten geholpen door Charles Misner, Robert Geroch en Brandon Carter) en kon deze gebruiken om nieuwe stellingen te produceren van een krachtiger aard, waarin de aannames van mijn stelling aanzienlijk konden worden afgezwakt, waaruit bleek dat een singulariteit van het big-bang-type een noodzakelijke implicatie was van Einsteins algemene relativiteit in ruime omstandigheden.
Een paar jaar later (in een artikel gepubliceerd door de Royal Society in 1970, tegen die tijd was Hawking fellow geworden “for distinction in science” van het Gonville and Caius College, Cambridge), bundelden hij en ik onze krachten om een nog krachtiger stelling te publiceren die bijna al het werk op dit gebied dat daarvoor was verricht, omvatte.
In 1967 publiceerde Werner Israel een opmerkelijk artikel dat inhield dat niet-roterende zwarte gaten, wanneer zij uiteindelijk tot stilstand waren gekomen, noodzakelijkerwijs volledig sferisch symmetrisch zouden worden. Latere resultaten van Carter, David Robinson en anderen veralgemeende dit naar roterende zwarte gaten, met als implicatie dat de uiteindelijke ruimte-tijd geometrie noodzakelijkerwijs overeen moet komen met een expliciete familie van oplossingen van Einstein’s vergelijkingen gevonden door Roy Kerr in 1963. Een belangrijk ingrediënt voor het volledige argument was dat als er enige rotatie aanwezig is, er volledige axiale symmetrie moet zijn. Dit ingrediënt werd in feite geleverd door Hawking in 1972.
De zeer opmerkelijke conclusie van dit alles is dat de zwarte gaten die we in de natuur verwachten te vinden, moeten voldoen aan deze Kerr geometrie. Zoals de grote theoretische astrofysicus Subrahmanyan Chandrasekhar later opmerkte, zijn zwarte gaten de meest volmaakte macroscopische objecten in het heelal, omdat zij slechts uit ruimte en tijd zijn opgebouwd; bovendien zijn zij ook de eenvoudigste, omdat zij precies kunnen worden beschreven door een expliciet bekende meetkunde (die van Kerr).
Na zijn werk op dit gebied heeft Hawking een aantal belangrijke resultaten over zwarte gaten vastgesteld, zoals een argument voor het feit dat de waarnemingshorizon (het begrenzende oppervlak) de topologie van een bol moet hebben. In samenwerking met Carter en James Bardeen heeft hij in 1973 een aantal opmerkelijke analogieën vastgesteld tussen het gedrag van zwarte gaten en de basiswetten van de thermodynamica, waarbij werd aangetoond dat de oppervlakte van de horizon en de zwaartekracht aan het oppervlak analoog zijn aan respectievelijk de thermodynamische grootheden entropie en temperatuur. Men zou kunnen zeggen dat in zijn zeer actieve periode die aan dit werk voorafging, Hawking’s onderzoek in de klassieke algemene relativiteit op dat moment het beste ter wereld was.
Hawking, Bardeen en Carter beschouwden hun “thermodynamische” gedrag van zwarte gaten als niet veel meer dan een analogie, zonder letterlijke fysische inhoud. Ongeveer een jaar eerder had Jacob Bekenstein aangetoond dat de eisen van fysische consistentie – in de context van de kwantummechanica – impliceren dat een zwart gat inderdaad een feitelijke fysische entropie moet hebben (“entropie” is een natuurkundige maatstaf voor “wanorde”) die evenredig is met de oppervlakte van zijn horizon, maar hij was niet in staat om de evenredigheidsfactor precies vast te stellen. Anderzijds leek het erop dat de fysische temperatuur van een zwart gat precies nul moest zijn, wat niet strookte met deze analogie, omdat geen enkele vorm van energie eraan kon ontsnappen, en daarom waren Hawking en zijn collega’s niet bereid om hun analogie helemaal serieus te nemen.
Hawking had toen zijn aandacht gericht op kwantumeffecten in verband met zwarte gaten, en hij begon een berekening om te bepalen of kleine roterende zwarte gaten die misschien bij de oerknal zouden ontstaan, hun rotatie-energie zouden wegstralen. Tot zijn verbazing ontdekte hij dat zij, ongeacht hun rotatie, hun energie zouden wegstralen – wat, volgens Einsteins E=mc2, hun massa betekent. Bijgevolg heeft elk zwart gat in feite een temperatuur die niet nul is, wat precies overeenkomt met de Bardeen-Carter-Hawking analogie. Bovendien was Hawking in staat om de exacte waarde “een kwart” te geven voor de entropie evenredigheidsconstante die Bekenstein niet had kunnen bepalen.
De straling afkomstig van zwarte gaten die Hawking voorspelde wordt nu, heel toepasselijk, Hawkingstraling genoemd. Voor elk zwart gat dat naar verwachting in normale astrofysische processen ontstaat, zou de Hawking-straling echter buitengewoon klein zijn, en zeker niet direct waarneembaar met alle technieken die we nu kennen. Maar hij betoogde dat zeer kleine zwarte gaten in de oerknal zelf zouden kunnen zijn ontstaan, en dat de Hawking-straling van zulke gaten zich zou opbouwen tot een uiteindelijke explosie die zou kunnen worden waargenomen. Er blijkt geen bewijs te zijn voor dergelijke explosies, waaruit blijkt dat de oerknal niet zo meegaand was als Hawking wenste, en dit was een grote teleurstelling voor hem.
Deze successen waren zeker belangrijk aan de theoretische kant. Zij vestigden de theorie van de zwarte-gaten-thermodynamica: door de procedures van de kwantum(veld)theorie te combineren met die van de algemene relativiteit, stelde Hawking vast dat het noodzakelijk is ook een derde onderwerp, de thermodynamica, in te brengen. Zij worden algemeen beschouwd als Hawking’s grootste bijdragen. Dat zij diepgaande implicaties hebben voor toekomstige theorieën van de fundamentele fysica valt niet te ontkennen, maar over de precieze aard van deze implicaties wordt nog steeds heftig gedebatteerd.
Hawking zelf was in staat om uit dit alles te concluderen (hoewel niet met universele aanvaarding door deeltjesfysici) dat de fundamentele bestanddelen van gewone materie – de protonen – uiteindelijk uit elkaar moeten vallen, zij het met een vervalsnelheid die de huidige technieken om dit waar te nemen te boven gaat. Hij gaf ook redenen om aan te nemen dat de regels zelf van de kwantummechanica misschien gewijzigd moeten worden, een standpunt dat hij aanvankelijk leek te steunen. Maar later (helaas, naar mijn mening) kwam hij tot een ander standpunt, en op de internationale conferentie van Dublin over de zwaartekracht in juli 2004 kondigde hij publiekelijk een verandering van mening aan (en gaf daarmee een weddenschap toe met de Caltech natuurkundige John Preskill) betreffende zijn oorspronkelijk voorspelde “informatieverlies” in zwarte gaten.
Na zijn zwarte-gaten-werk richtte Hawking zijn aandacht op het probleem van de kwantumzwaartekracht, waarbij hij ingenieuze ideeën ontwikkelde om enkele van de basisproblemen op te lossen. De kwantumzwaartekracht, die inhoudt dat de kwantumprocedures van de deeltjesfysica op de juiste wijze worden opgelegd aan de structuur van de ruimte-tijd, wordt algemeen beschouwd als het meest fundamentele onopgeloste fundamentele probleem in de fysica. Een van de verklaarde doelstellingen ervan is een fysische theorie te vinden die krachtig genoeg is om de ruimte-tijdsingulariteiten van de klassieke algemene relativiteit in zwarte gaten en de oerknal aan te pakken.
Hawking’s werk, tot op dit punt, hoewel het de procedures van de kwantummechanica in de gekromde ruimte-tijd setting van Einstein’s algemene relativiteitstheorie had betrokken, leverde geen kwantumzwaartekrachttheorie op. Dat zou vereisen dat de “quantisatie” procedures worden toegepast op Einstein’s gekromde ruimte-tijd zelf, niet alleen op fysische velden binnen gekromde ruimte-tijd.
Met James Hartle ontwikkelde Hawking een quantum procedure voor het omgaan met de big-bang singulariteit. Dit wordt het “no-boundary” idee genoemd, waarbij de singulariteit wordt vervangen door een gladde “kap”, dit wordt vergeleken met wat er gebeurt op de noordpool van de Aarde, waar het begrip lengtegraad zijn betekenis verliest (singulier wordt) terwijl de noordpool zelf een perfect goede geometrie heeft.
Om dit idee zin te geven moest Hawking zich beroepen op zijn begrip van “imaginaire tijd” (of “Euclidisering”), dat tot gevolg heeft dat de “pseudo-Riemanniaanse” meetkunde van Einsteins ruimte-tijd wordt omgezet in een meer standaard Riemanniaanse. Ondanks de vindingrijkheid van veel van deze ideeën, blijven er grote moeilijkheden bestaan (een daarvan is hoe soortgelijke procedures kunnen worden toegepast op de singulariteiten in zwarte gaten, hetgeen fundamenteel problematisch is).
Er zijn wereldwijd vele andere benaderingen van kwantumzwaartekracht, en Hawking’s procedures, hoewel zeer gerespecteerd en nog steeds onderzocht, zijn niet de meest populaire, hoewel alle anderen ook hun deel van fundamentele moeilijkheden hebben.
Tot het einde van zijn leven ging Hawking door met zijn onderzoek naar het kwantumzwaartekracht probleem, en de daarmee samenhangende vraagstukken van de kosmologie. Maar tegelijk met zijn strikte onderzoeksinteresses, raakte hij steeds meer betrokken bij de popularisering van de wetenschap, en van zijn eigen ideeën in het bijzonder. Dit begon met het schrijven van zijn verbazingwekkend succesvolle boek A Brief History of Time (1988), dat in zo’n 40 talen werd vertaald en waarvan wereldwijd meer dan 25 miljoen exemplaren werden verkocht.
Ongetwijfeld heeft de briljante titel bijgedragen tot het fenomenale succes van het boek. Ook is het onderwerp iets dat tot de verbeelding spreekt van het publiek. En er is een directheid en duidelijkheid van stijl, die Hawking uit noodzaak moet hebben ontwikkeld toen hij probeerde om te gaan met de beperkingen die hem door zijn lichamelijke handicaps werden opgelegd. Voordat hij moest vertrouwen op zijn computergestuurde spraak, kon hij slechts met veel moeite en inspanning spreken, dus moest hij het doen met korte zinnen die direct to the point waren. Bovendien kan men moeilijk ontkennen dat zijn fysieke toestand zelf tot de verbeelding van het publiek moet hebben gesproken.
Hoewel de verspreiding van de wetenschap onder een breder publiek zeker een van Hawking’s doelen was bij het schrijven van zijn boek, had hij ook het serieuze doel geld te verdienen. Zijn financiële behoeften waren aanzienlijk, zoals zijn entourage van familie, verpleegkundigen, verzorgers en steeds duurdere apparatuur vereisten. Een deel daarvan, maar niet alles, werd gedekt door subsidies.
Om Hawking uit te nodigen voor een conferentie moesten de organisatoren altijd ernstig rekenen. De reis- en verblijfkosten zouden enorm zijn, niet in de laatste plaats door het grote aantal mensen dat hem zou moeten vergezellen. Maar een populaire lezing van hem zou altijd uitverkocht zijn, en er zouden speciale regelingen nodig zijn om een lezingzaal te vinden die groot genoeg was. Een bijkomende factor zou zijn ervoor te zorgen dat alle ingangen, trappen, liften, enzovoort geschikt zouden zijn voor gehandicapten in het algemeen, en voor zijn rolstoel in het bijzonder.
Hij genoot duidelijk van zijn roem en greep vele gelegenheden aan om te reizen en ongewone ervaringen op te doen (zoals het afdalen in een mijnschacht, een bezoek aan de Zuidpool en het ondergaan van de nulzwaartekracht van de vrije val), en om andere vooraanstaande mensen te ontmoeten.
De presentatie van zijn openbare lezingen werd met de jaren beter. Aanvankelijk bestond het beeldmateriaal uit lijntekeningen op transparanten, gepresenteerd door een student. Maar in latere jaren werden indrukwekkende computer-gegenereerde visuals gebruikt. Hij controleerde het verbale materiaal, zin voor zin, zoals het werd uitgesproken door zijn computergegenereerde stem met Amerikaans accent. Hoogwaardige foto’s en computergegenereerde graphics waren ook te zien in zijn latere populaire boeken The Illustrated Brief History of Time (1996) en The Universe in a Nutshell (2001). Samen met zijn dochter Lucy schreef hij het wetenschappelijke kinderboek George’s Secret Key to the Universe (2007), en hij was redacteur, co-auteur en commentator voor vele andere populair-wetenschappelijke werken.
Hij ontving vele hoge onderscheidingen en eerbewijzen. In het bijzonder werd hij op de opmerkelijk jonge leeftijd van 32 jaar tot fellow van de Royal Society gekozen en ontving hij de hoogste onderscheiding, de Copley medaille, in 2006. In 1979 werd hij de 17e bekleder van de Lucasian leerstoel voor natuurfilosofie in Cambridge, zo’n 310 jaar nadat Sir Isaac Newton de tweede bekleder werd. In 1989 werd hij “Companion of Honour”. Hij maakte een gastoptreden in het televisieprogramma Star Trek: The Next Generation, verscheen in tekenfilmvorm in The Simpsons en werd geportretteerd in de film The Theory of Everything (2014).
Het is duidelijk dat hij veel te danken had aan zijn eerste vrouw, Jane Wilde, met wie hij in 1965 trouwde en met wie hij drie kinderen kreeg, Robert, Lucy en Timothy. Jane steunde hem op vele manieren. Een van de belangrijkste daarvan was misschien wel dat zij hem toestond om in ongewone mate dingen voor zichzelf te doen.
Hij was een buitengewoon vastberaden persoon. Hij stond erop dat hij dingen voor zichzelf deed. Dit op zijn beurt hield zijn spieren misschien actief op een manier die hun atrofie vertraagde, waardoor de voortgang van de ziekte werd vertraagd. Desondanks ging zijn toestand steeds verder achteruit, totdat hij bijna geen beweging meer had en zijn spraak nauwelijks meer verstaanbaar was, behalve voor een zeer kleine groep die hem goed kende.
Hij kreeg een longontsteking toen hij in 1985 in Zwitserland was, en een tracheotomie was nodig om zijn leven te redden. Vreemd genoeg, na deze aanraking met de dood, leek de voortgang van zijn degeneratieve ziekte vrijwel tot stilstand te komen. Zijn tracheotomie verhinderde echter elke vorm van spraak, zodat de aanschaf van een gecomputeriseerde spraaksynthesizer in die tijd noodzakelijk werd.
In de nasleep van zijn longontsteking werd het huis van de Hawkings bijna overgenomen door verplegers en medisch personeel, en hij en Jane dreven uit elkaar. Zij scheidden in 1995. In datzelfde jaar trouwde Hawking met Elaine Mason, die een van zijn verpleegsters was geweest. Haar steun nam een andere vorm aan dan die van Jane. In zijn veel zwakkere fysieke toestand, hielden de liefde, zorg en aandacht die zij hem gaf hem staande in al zijn activiteiten. Toch kwam ook aan deze relatie een einde en in 2007 scheidden hij en Elaine.
Ondanks zijn verschrikkelijke lichamelijke omstandigheden bleef hij bijna altijd positief in het leven staan. Hij genoot van zijn werk, het gezelschap van andere wetenschappers, de kunsten, de vruchten van zijn roem, zijn reizen. Hij had veel plezier in kinderen en vermaakte hen soms door rond te draaien in zijn gemotoriseerde rolstoel. Sociale vraagstukken hielden hem bezig. Hij bevorderde het wetenschappelijk inzicht. Hij kon vrijgevig zijn en was vaak geestig. Soms kon hij iets van de arrogantie aan de dag leggen die niet ongewoon is bij natuurkundigen die op het scherpst van de snede werken, en hij had een autocratische inslag. Toch kon hij ook een ware nederigheid aan de dag leggen, die het kenmerk is van grootheid.
Hawking had veel studenten, van wie sommigen later zelf grote naam hebben gemaakt. Toch was het niet gemakkelijk een leerling van hem te zijn. Hij stond erom bekend dat hij met zijn rolstoel over de voet van een student reed die hem irriteerde. Zijn uitspraken waren zeer gezaghebbend, maar door zijn lichamelijke problemen waren ze vaak raadselachtig in hun beknoptheid. Een bekwame collega zou misschien de bedoeling erachter kunnen ontwarren, maar voor een onervaren student ligt dat anders.
Voor zo’n student kan een ontmoeting met Hawking een ontmoedigende ervaring zijn. Hawking zou de student kunnen vragen een of andere duistere weg te volgen, waarvan de reden diep mysterieus zou kunnen lijken. Opheldering was niet beschikbaar, en de student zou worden gepresenteerd met wat inderdaad leek op de openbaring van een orakel – iets waarvan de waarheid niet in twijfel mocht worden getrokken, maar dat, indien juist geïnterpreteerd en uitgewerkt, zeker verder zou leiden naar een diepgaande waarheid. Misschien hebben we nu allemaal die indruk.
Hawking wordt overleefd door zijn kinderen.
– Stephen William Hawking, natuurkundige, geboren 8 januari 1942; overleden 14 maart 2018
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragrafen}}{highlightedText}}
- Delen op Facebook
- Delen op Twitter
- Delen via e-mail
- Delen op LinkedIn
- Delen op Pinterest
- Delen op WhatsApp
- Delen op Messenger