Het proefschrift van misschien wel 's werelds beroemdste levende wetenschapper, Professor Stephen Hawking, is onlangs online openbaar gemaakt. Het is zo populair gebleken dat de vraag om het te lezen naar verluidt de hostwebsite crashte toen het voor het eerst werd geüpload.

Maar gezien de complexiteit van het onderwerp - "Properties of Expanding Universes" - en het feit dat Hawkings boek A Brief History of Time ook bekend staat als het meest ongelezen boek aller tijden, u zou kunnen profiteren van een samenvatting van het belangrijkste resultaat.

Het proefschrift behandelt verschillende onderwerpen, waaronder recent ontdekte zwaartekrachtstraling, maar het laatste hoofdstuk is het deel dat veel natuurkundigen het belangrijkste vinden. Het gaat over de geboorte van het universum zelf, en is gewoon getiteld "Singulariteiten".

scheppingstheorieën

De belangrijkste prestatie van de stelling van Hawking was om effectief aan te tonen dat de oerknaltheorie van hoe het universum begon vanuit een enkel punt fysiek mogelijk was. Het was niet alleen een wiskundige overlast die voortkwam uit de vergelijkingen die natuurkundigen hadden ontwikkeld om de mogelijke evolutie van de kosmos te beschrijven.

Het concept dat het universum een ​​eindige tijd geleden begon in een oerknal is nu een geaccepteerd wetenschappelijk feit, en toch blijft het een verbazingwekkend idee. Stel je voor:alle materie in je lichaam was ooit – in een of andere vorm – samengeperst tot hetzelfde kleine volume als het verste sterrenstelsel en alles daartussenin. Ongeveer 14 miljard jaar geleden, dit punt breidde zich snel uit om ruimte en tijd te creëren. Het breidt zich vandaag nog steeds uit.

Ten tijde van Hawking's PhD in de jaren '60, wetenschappers hadden nog steeds ruzie over het idee. Een populair alternatief voor de oerknal was het Steady State-model. Voorstanders van het Steady State-model voelden zich ongemakkelijk bij een universum van eindige leeftijd dat op deze manier begon. In feite, de bijnaam "Big Bang" werd bedacht als een spottende term door Steady State-kampioen Fred Hoyle. Om te begrijpen hoe Hawking liet zien dat het echt mogelijk was, we hebben wat achtergrondfysica nodig.

Ruimtetijd en singulariteiten

In het begin van de 20e eeuw, Albert Einstein zorgde voor een revolutie in ons begrip van zwaartekracht door zijn algemene relativiteitstheorie. Einstein toonde aan dat we zwaartekracht kunnen zien als de kromming van ruimtetijd, veroorzaakt door de aanwezigheid van massa of energie.

Ruimtetijd is een manier van denken over het raamwerk van het universum dat driedimensionale ruimte en eendimensionale tijd combineert. Alle objecten bestaan ​​en alle gebeurtenissen gebeuren ergens in de ruimtetijd. Maar het is voor de meeste mensen moeilijk voor te stellen omdat, hoewel we vrij kunnen bewegen in de driedimensionale ruimte, we kunnen niet reizen waar we willen door de tijd. Het is een beetje alsof je een insect bent dat gevangen zit op het oppervlak van een vijver. Het kan alleen in twee dimensies bewegen, ondanks dat er een andere ruimtelijke dimensie is om te verkennen.

De algemene relativiteitstheorie drukt uit hoe ruimte en tijd met elkaar verbonden zijn. In zijn theorie Einstein beschreef op elegante wijze hoe de kromming van ruimtetijd verband houdt met de dichtheid van massa en energie in zijn "veldvergelijkingen".

Nadat deze vergelijkingen waren gepubliceerd, andere wetenschappers gebruikten ze om te onderzoeken wat er met ruimtetijd gebeurt in verschillende fysieke situaties. In het geval van objecten waar alle materie is geconcentreerd in een enkel punt, de veldvergelijkingen voorspellen iets ongewoons:de kromming van de ruimtetijd wordt zo extreem dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Tegenwoordig weten we dat deze objecten echt bestaan ​​als zwarte gaten, en sindsdien hebben we bewijs voor ze gevonden in de ruimte.

Deze situaties waarin de oplossingen van de vergelijkingen oneindig worden, worden "singulariteiten" genoemd. Hawking's laatste proefschrifthoofdstuk onderzocht dit idee van singulariteiten, niet voor de ruimtetijd rond zwarte gaten, maar voor het hele universum.

Van zwarte gaten tot de oerknal

In de kosmologie, een centrale stelling is dat ruimte moet, gemiddeld, homogeen en isotroop zijn. Met andere woorden, op grote schaal, de inhoud van het universum moet redelijk gelijkmatig zijn verdeeld en er in alle richtingen hetzelfde uitzien.

De eenvoudigste oplossing voor de veldvergelijkingen van Einstein die aan deze voorwaarden voldoet, wordt de "Robertson-Walker-metriek" genoemd. genoemd naar de wetenschappers die betrokken waren bij de ontwikkeling ervan. De metriek is gewoon de term die we gebruiken om het interval tussen twee gebeurtenissen in ruimtetijd te beschrijven.

belangrijk, de Robertson-Walker-oplossing zorgt ervoor dat het ruimtelijke deel van de metriek in de loop van de tijd kan veranderen. Dat betekent dat het een universum kan beschrijven waarin de ruimte zelf uitdijt. Edwin Hubble vond bewijs dat het heelal echt uitdijt in de jaren 1920 door aan te tonen dat andere sterrenstelsels van ons weg bewegen.

De Robertson-Walker metrische en veldvergelijkingen stellen ons in staat om deze expansie te beschrijven in termen van wat kosmologen de "schaalfactor" noemen, beschrijven hoeveel ruimte is uitgebreid of ingekrompen tussen een bepaald punt in de tijd en het heden.

Als het heelal uitdijt, het had in het verleden kleiner en dichter moeten zijn. Draai de klok ver genoeg terug en de schaalfactor zou naar nul moeten gaan. Alle materie en energie in het universum moet in een enkel punt met oneindige dichtheid zijn vervat:een kosmologische singulariteit. Dit is de basis van het Big Bang-model, een beetje als een omgekeerd zwart gat.

De stabiele toestand afschaffen

Het Steady State-model probeerde de kosmologische singulariteit te elimineren, waarvan velen beweerden dat het niet aannemelijk was. Singulariteiten werden gezien als tekortkomingen van de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie en niet in overeenstemming met de bekende natuurwetten.

In het Steady State-model is het universum is eeuwig en heeft helemaal geen begin. De schijnbare expansie kan worden verklaard door een "creatieveld" of C-veld toe te voegen aan de vergelijkingen van Einstein, wat zou betekenen dat er continu materie wordt gecreëerd in de ruimte tussen sterrenstelsels terwijl ze uit elkaar bewegen.

Maar in het laatste hoofdstuk van zijn proefschrift, Hawking voerde aan dat het idee van een C-veld gepaard ging met zijn eigen problemen en dat het juiste model de Robertson-Walker-oplossing omvatte die een aanvankelijke singulariteit beschrijft.

Wat hij vervolgens deed, was wat velen als baanbrekend beschouwen. Voortbouwend op het werk van collega-Britse natuurkundige Roger Penrose, Hawking bewees wiskundig dat singulariteiten geen tekortkoming van de theorie waren, maar verwachte kenmerken van de natuur. Hij toonde effectief aan dat de algemene relativiteitstheorie een universum mogelijk maakte dat in een singulariteit begon.

Een halve eeuw later, het observationele bewijs voor het scheppingsscenario van de Big Bang is overweldigend en het Steady State-model is al lang verlaten. Hawking heeft verdere monumentale bijdragen geleverd aan de kosmologie en theoretische fysica. Het lezen van Hawking's proefschrift is een inzicht in een uitzonderlijk creatieve geest - en de eerste stappen van ontdekking in wat een opmerkelijke wetenschappelijke reis is geweest.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.