Stephen William Hawking (1942-)

Av Erik Tronstad

Hawking ble født i Oxford, England 8. januar 1942, på dagen 300 år etter at en av historiens fremste naturforskere, Galileo Galilei, døde. Han var det eldste av fire barn i en universitetsfamilie. Som gutt hadde han problemer med å lære å lese, men likte å plukke ting fra hverandre, selv om han, som de fleste av oss, av og til hadde problemer med å få satt dem sammen igjen.

Allerede før han hadde nådd tenårene, hadde han bestemt seg for at han ville bli forsker. Faren arbeidet innen biologi og var ekspert på tropesykdommer, men han ville ikke gå i farens fotspor. Fysikk var det fagfeltet som opptok ham mest, og som han også konsentrerte seg om etter å være blitt opptatt ved University College i Oxford.

Ifølge ham selv var han ikke noen særlig flittig student. Det meste av tiden gikk der med til andre aktiviteter enn studiene, som han i gjennomsnitt bare viet rundt én time daglig. Likevel var dette nok til at han fikk vist lærerne der hvilke fremragende evner han egentlig er i besittelse av.

Etter å ha fullført sine laveregradsstudier ved Oxford, dro han til Cambridge for å ta hovedfag. Overgangen ble nokså tøff, særlig på grunn av en del merkelige fysiske problemer som her plaget ham. Han snakket utydelig, hadde problemer med å knytte skolissene, snublet ofte og virket i det hele tatt nokså klosset. Disse symptomene hadde dukket opp allerede i Oxford, men forverret seg betydelig i Cambridge.

Årsaken til hans klossete fremtreden viste seg å være amyotrofisk lateralsklerose, også kalt Lou Gehrigs sykdom, etter en amerikansk baseballspiller. Dette er en meget alvorlig sykdom, som medfører muskelsvinn og angriper sentralnervesystemet, og som vanligvis fører til at pasienten dør i løpet av 3-4 år. Legene kunne også fortelle Hawking at sykdommen bare ville bli verre, og at de ikke hadde noe å stille opp mot den.

Diagnosen var, forståelig nok, et forferdelig slag for Hawking. Han ga omtrent helt blaffen i studiene. Dagene tilbrakte han på hybelen sin med å lytte til Wagner, lese «science fiction» - og drikke. «Jeg var svært deprimert på den tiden,» sier han. «Med bare få år igjen å leve, så jeg ingen hensikt i å ta en doktorgrad.»

Fra en artikkel om svarte hull skrevet av matematikeren Roger Penrose, fikk omsider Hawking idéer til faglige utfordringer han fikk lyst til å gå løs på. Merkelig nok begynte omtrent samtidig forverringen i hans tilstand å saktne farten, og sykdommen utviklet seg ikke så fort som før.

Det virkelige vendepunktet kom imidlertid da han ble kjent med Jane Wilde, som studerte språk og litteratur i Cambridge. De forlovet seg etter en tid, og Hawking sier selv: «Dette ga meg noe å leve for. Hvis vi skulle gifte oss, måtte jeg ha en jobb, og for å få det, måtte jeg fullføre min doktoravhandling. For første gang i mitt liv begynte jeg å arbeide virkelig hardt - og fant ut at jeg likte det.»

Etter at de giftet seg i 1965, fikk de tre barn sammen - to gutter og én pike. De to ble skilt etter 26 års ekteskap. I 1995 giftet Hawking seg med sin pleierske, Elaine Mason.

Hawkings sykdom har senere utviklet seg svært sakte. Likevel har den gjort det umulig for ham å bevege seg. De fleste av musklene sine har han ingen kontroll over, og han trenger hjelp både til å kle på og av seg, og til å spise.

Inntil 1985 var han i stand til å «snakke» ved noe som mer lignet grynt, og som bare svært få forstod, slik at han nærmest måtte ha en slags tolk for å gjøre seg forstått. Det året ble han nesten kvalt under et angrep av lungebetennelse. Han måtte derfor gjennomgå en operasjon som gjorde at han kan puste gjennom en åpning i strupen og et rør som er satt inn i luftrøret. Operasjonen reddet livet hans, men gjorde ham stum.

Den eneste måten han nå kan meddele seg overfor andre på, er ved hjelp av den lille kontrollen han fortsatt har over hendene og fingrene sine. Med dem kan han betjene en datamaskin med stemme­gene­rator, som er påmontert rullestolen hans. Det er for øvrig typisk for Hawkings humor at han, første gang han møter en person, ofte ber om unnskyldning for sin amerikanske aksent. Stemmegeneratoren er nemlig laget i California.

Hawking var ferdig med sin doktorgrad i 1966, og startet deretter en profesjonell karriere som fysiker og matematiker.

«Eksplosjoner av svarte hull?» var den oppsiktsvekkende tittelen på en artikkel av Hawking, som ble trykket i det anerkjente britiske tidsskriftet Nature 1. mars 1974. Artikkelen gjorde at han ble kjent langt utenfor spesialistenes rekker.

Et svart hull er, som mange sikkert vet, ett av flere mulige sluttstadier i en stjernes liv. Det som holder en stjerne oppe, er fusjonsprosessene som foregår i dens sentrum. De frigir energi som strømmer utover og motvirker gravitasjonskreftene som søker å trekke stjernen sammen. Før eller senere vil enhver stjerne komme til et punkt der fusjonsprosessene i sentrum stopper, og stjernen kan ikke lenger motstå gravitasjonskreftene som presser innover. Hvis stjernens masse er stor nok, vil den eksplodere som en supernova.

En mulig utgang på en supernovaeksplosjon er at kjernen totalt kollapser og forsvinner i et svart hull. Karakteristisk for et slikt legeme er at gravitasjonsfeltet innenfor en viss avstand fra sentrum i hullet er så sterkt at intet som kommer innenfor denne avstanden, noen gang kan slippe ut av hullet igjen. Den klassiske forestillingen om svarte hull var derfor at de bare «slukte» materie og stråling, uten at noe som helst kom ut fra dem.

Det som vakte mest oppsikt i Hawkings artikkel, var at han viste hvordan svarte hull faktisk kan sende ut stråling, og til og med fordampe. Beregningene hans viste at det utenfra et svart hull faktisk vil se ut som om hullet danner og sender ut elementær­partikler som fotoner (lyspartikler), elektroner eller nøytrinoer. Dessuten ville disse ha en energifordeling som om de var sendt ut fra et legeme med en bestemt temperatur.

At et svart hull kunne tilskrives en temperatur, var den gang noe nytt og uhørt. Hawking kunne til og med vise at temperaturen til et svart hull vil være omvendt proporsjonal med dets masse.

Over tid vil strålingen fra et svart hull føre til at det taper masse. Samtidig som massen avtar, øker temperaturen. Når den øker, øker utstrålingen. Dermed skjer massetapet raskere og raskere, til det svarte hullet til slutt rett og slett eksploderer!

Svarte hull som dannes i supernovaeksplosjoner vil, ifølge teoretiske beregninger, måtte ha en masse på minst 2-3 ganger Solens masse. De vil derfor sende ut svært lite stråling, og ha en levetid på mange ganger Universets alder før de fordamper. For disse synes derfor Hawkings teori lite interessant.

Allerede i 1971 hadde imidlertid Hawking vist at svarte hull kan tenkes dannet på andre måter enn i supernovaeksplosjoner. Avhengig av detaljene i hvordan Universet ble til, det vil si hva som foregikk i Big Bang, viste han at det da kunne ha blitt dannet små svarte hull, minihull, med masser på ned til bare 0,00001 gram.

Typisk kan slike urhull, som de også kalles, tenkes å ha en masse på rundt én milliard tonn, omtrent som en liten asteroide. Til tross for den store massen, vil de ha et volum som ikke er større enn for et proton. Temperaturen vil være rundt 120 milliarder grader, slik at de vil være sterke kilder til gammastråling.

Urhull av denne størrelsen vil ha en levetid som er omtrent den samme som Universets nåværende alder. Siden de, ifølge teorien, ble dannet samtidig med Universet, skulle det bety at de nå er i ferd med å fordampe i voldsomme eksplosjoner.

Den intense gammastrålingen fra dem vil bare kunne observeres med satellitter utenfor jordatmosfæren. Hittil er det imidlertid ikke gjort observasjoner som med sikkerhet kan tilskrives stråling fra urhull.

Dette er bare eksempler på noen av de mange eminente bidrag Hawking har kommet med når det gjelder generell relativitetsteori og svarte hull. De har gjort at han i dag regnes som en av verdens fremste forskere innen disse områdene av teoretisk fysikk. Desto mer imponerende er dette ettersom Hawking altså har sterke fysiske handikap. Han er stum og praktisk talt helt lam. Likevel har han en briljant hjerne, som stadig gir nye bidrag til vår forståelse av Universet vi lever i og er omgitt av.

I 1980 ble han tildelt det såkalte lucasianske professoratet i matematikk ved instituttet for anvendt matematikk og teoretisk fysikk ved universitetet i Cambridge. Blant de som har hatt dette professo­rat­et før ham, er Isaac Newton.

Newton utarbeidet som kjent den første teori om gravitasjon, et fenomen også Hawking har arbeidet mye med. Hawking har imidlertid ikke arbeidet med Newtons teori, men med Albert Einsteins gene­rel­le relativitetsteori. Det er en teori som gir en rik­tig­ere og mer komplett beskrivelse av gravitasjon enn Newtons teori formår.

Einstein lanserte sin generelle relativitetsteori i 1916. Etter det brukte han resten av livet til å prøve å utarbeide en enhetlig teori som kunne forklare alle naturfenomener - uten å lykkes. Einsteins drøm om én slik teori bæres videre av dagens fysikere, blant dem Hawking.

Vi kjenner i dag til fire fundamentale naturkrefter eller veksel­virkninger, nemlig den sterke, svake og elektromagnetiske vekselvirkning, samt gravitasjon. Den sterke vekselvirkning er den som blant annet holder atomkjerner sammen, den svake står bak fenomenet radioaktivitet, den elektromagnetiske styrer utsendelse og absorpsjon av lys, mens gravitasjon er en universell tiltrek­nings­kraft mellom alle legemer.

Fysikerne er misfornøyde med å skulle forholde seg til fire ulike teorier, avhengig av hvilket fenomen man betrakter. Dette er bakgrunnen for drømmen om én enkelt teori. Man har allerede greid å forene den elektromagnetiske og den svake vekselvirkning, og mye arbeid er nedlagt for å finne teorier som også kan omfatte den sterke vekselvirkningen og gravitasjon.

Gravitasjon anses som det største problemet her. Den beste teorien vi i dag har for dette fenomenet, er Einsteins generelle relativitetsteori. Den skiller seg fundamentalt fra teorier for de andre tre vekselvirkningene ved at den ikke er en kvanteteori. Det synes å være bred enighet blant fysikere om at før gravitasjon kan innlemmes i en enhetlig teori, må man få en kvanteteori for dette fenomenet.

Karakteristisk for en kvanteteori er at den forutsetter at mange av materiens egenskaper bare kan anta bestemte verdier, det vil si at de er kvantiserte. For eksempel kan elektroner, som styres av den elektromagnetiske vekselvirkning, bare gå i meget bestemte baner med helt bestemte energinivåer rundt en atomkjerne. En planet, som styres av gravitasjon, kan derimot gå i en hvilken som helst bane rundt en stjerne.

En annen ting som er karakteristisk for kvanteteorier, er at de er såkalt ikke-deterministiske. Det betyr både at man ikke kan skaffe seg komplett kunnskap om tilstanden i et system, og heller ikke med sikkerhet beregne hvordan det vil utvikle seg i fretiden. Det kan man bare angi med en viss sannsynlighetsgrad. Om man for eksempel ser på et atom av et radioaktivt stoff, er det umulig å si nøyaktig når dette atomet vil gjennomgå en radioaktiv nedbrytning. Man kan bare si at det med en viss sannsynlighet vil skje innen den og den tid.

Einsteins generelle relativitetsteori er derimot en determi­nist­isk teori. Kjenner man tilstanden til et system ved et gitt tidspunkt, kan man, ved hjelp av relativitetsteorien, i prinsippet beregne nøyaktig hvordan det vil utvikle seg videre.

Et av fysikernes store problemer har vært å kvantisere den generelle relativitetsteorien, og finne en forbindelse mellom den og de tre andre vekselvirkningene. Denne forbindelsen kom med Hawkings teori om hvorfor svarte hull sender ut stråling.

Uten å gå nærmere i detalj, skal vi bare her si at denne teorien tar utgangspunkt i såkalte kvantefluktuasjoner som foregår over alt, blant annet nær svarte hull. Egenskapene svarte hull ser ut til å ha, beskrives ved den generelle relativitetsteorien, mens kvantefluktuasjonene beskrives ved kvanteteorier. Veksel­virkningene mellom disse kvantefluktuasjonene og gravitasjonsfeltet rundt et svart hull danner derfor en forbindelse mellom generell relativitetsteori og kvanteteorier. Følgelig ses de på som et viktig skritt på veien mot én enhetlig teori for alle naturfenomener.

Bakgrunnsbildet

Den amerikanske astronauten Rex Walheim på en romvandring utenfor den internasjonale romstasjonen. Bildet er tatt under romfergeferd STS-110 i april 2002, mens romfergen Atlantis var koblet til romstasjonen.

Bilde: NASA

Publiseringsdato: 22.05.2004