Stephen Hawking meninggalkan kami pada pertengahan Maret 2018 pada usia 76 tahun. Banyak artikel telah ditulis tentang dia, tidak termasuk karya saya yang terbaru:
Mulai menulis artikel yang disebutkan, saya menemukan bahan berikut yang saya tulis beberapa tahun lalu, yang menggambarkan warisan ilmiah Stephen Hawking. Satu majalah memintanya ketika Hawking jatuh sakit, dan semua orang mengira dia akan mati - ini bukan pertama kalinya, dan setiap kali semua orang salah. Saya yakin artikel ini tidak pernah dirilis, jadi ini dia!
Warisan ilmiah Stephen Hawking
Stephen Hawking adalah contoh langka dari seorang ilmuwan yang merupakan selebritis dan fenomena budaya. Namun, ia juga merupakan contoh langka dari fenomena budaya dengan ketenaran yang memang layak. Kontribusinya dapat digambarkan dengan sangat sederhana: Hawking membuat lebih banyak kontribusi untuk pemahaman kita tentang gravitasi daripada fisikawan mana pun sejak Albert Einstein.
Dan kata "gravitasi" sangat penting di sini. Untuk sebagian besar karir Hawking, fisikawan teoretis umumnya lebih tertarik pada fisika partikel dan kekuatan alam lainnya - elektromagnetisme dan interaksi nuklir kuat dan lemah. Gravitasi "Klasik", yang mengabaikan kompleksitas mekanika kuantum, sepenuhnya dijelaskan oleh Einstein dalam teori relativitas umumnya, dan gravitasi "kuantum" (versi kuantum dari teori relativitas umum) tampak terlalu rumit. Menerapkan kecerdasannya yang luar biasa pada kekuatan alam yang paling terkenal, Hawking mampu menghasilkan beberapa hasil yang sangat mengejutkan seluruh komunitas.
Tanpa ragu, hasil terpenting dari pekerjaan Hawking adalah pemahaman bahwa lubang hitam tidak sepenuhnya hitam - mereka memancarkan, seperti benda biasa. Sebelum karya ini, ia membuktikan teorema penting tentang BH dan singularitas, dan setelah itu ia mempelajari Semesta secara keseluruhan. Dalam setiap fase karirnya, ia membuat satu atau lain kontribusi kunci bagi sains.
Periode klasik
Saat mengerjakan disertasi doktoralnya di Cambridge pada pertengahan 1960-an, Hawking menjadi tertarik pada pertanyaan tentang asal usul dan nasib akhir alam semesta. Alat yang cocok untuk menyelidiki masalah ini adalah GR, teori ruang, waktu, dan gravitasi Einstein. Menurut relativitas umum, apa yang kita rasakan sebagai gravitasi adalah cerminan dari kelengkungan ruang-waktu. Memahami bagaimana kelengkungan diciptakan oleh materi dan energi, kita dapat memprediksi evolusi alam semesta. Ini dapat dikatakan sebagai periode "klasik" dari Hawking, untuk membedakan relativitas umum klasik dan penelitiannya di bidang teori medan kuantum dan gravitasi kuantum.
Sekitar waktu yang sama, Roger Penrose dari Oxford melakukan bukti yang luar biasa: menurut GTR, di bawah berbagai kondisi, ruang dan waktu akan runtuh ke dalam dan membentuk singularitas. Jika gravitasi adalah kelengkungan ruang-waktu, maka singularitas adalah titik waktu di mana kelengkungan ini menjadi sangat besar. Teorema menunjukkan bahwa singularitas bukan hanya keajaiban; mereka adalah properti penting GR.
Hasil Penrose diaplikasikan pada lubang hitam - bagian dari ruang-waktu di mana medan gravitasi ternyata sangat kuat sehingga bahkan cahaya tidak bisa lepas dari sana. Di dalam lubang hitam, singularitas mengintai di masa depan. Hawking mengambil ide Penrose dan mengubahnya keluar, mengirimkannya ke masa lalu Semesta. Dia menunjukkan bahwa di bawah kondisi umum yang sama, ruang seharusnya muncul dari singularitas: Big Bang. Ahli kosmologi modern mengatakan (dan membingungkan semua orang) tentang model Big Bang, yang merupakan teori yang sangat sukses yang menggambarkan evolusi alam semesta yang berkembang selama miliaran tahun, dan tentang singularitas Big Bang, sebuah pemahaman yang belum bisa kita banggakan.
Kemudian Hawking mengalihkan perhatiannya ke lubang hitam. Hasil lain yang menarik dari perhitungan Penrose adalah bahwa energi dapat diekstraksi dari lubang hitam yang berputar, pada dasarnya mengekstraksi energi dari putarannya hingga berhenti. Hawking mampu menunjukkan bahwa, meskipun dimungkinkan untuk mengekstraksi energi, wilayah horizon peristiwa di sekitar BH akan meningkat dalam proses fisik apa pun. "Teorema area" ini penting baik dalam dirinya sendiri maupun dalam hubungannya dengan bidang fisika yang sama sekali berbeda: termodinamika mempelajari perpindahan panas.
Termodinamika mematuhi serangkaian hukum terkenal. Sebagai contoh, hukum pertama mengatakan bahwa energi dilestarikan, dan yang kedua yang entropi - ukuran gangguan alam semesta - dalam sistem tertutup tidak pernah berkurang. Bekerja dengan
James Bardin dan
Brandon Carter , Hawking mengusulkan serangkaian hukum "mekanisme lubang hitam" mirip dengan termodinamika. Seperti dalam termodinamika, hukum pertama mekanika BH menjamin konservasi energi. Hukum kedua, teorema Hawking Square, menunjukkan bahwa area horizon peristiwa tidak pernah berkurang. Dengan kata lain, area horizon peristiwa BH sangat mirip dengan entropi sistem termodinamika - mereka meningkat seiring waktu.
Penguapan lubang hitam
Hawking dan rekan-rekannya benar bangga dengan hukum mekanika BH, tetapi mereka menganggapnya hanya analogi formal, dan bukan hubungan harfiah antara gravitasi dan termodinamika. Pada tahun 1972, lulusan Universitas Princeton,
Jacob Beckenstein , menyarankan bahwa ada lebih dari itu. Berdasarkan eksperimen pemikiran yang brilian, ia menyarankan bahwa perilaku BH tidak hanya mirip dengan termodinamika, tetapi juga termodinamika. Secara khusus, BH memiliki entropi.
Seperti banyak ide yang berani, ide ini mendapat perlawanan dari para ahli - dan pada saat itu Stephen Hawking adalah pakar dunia tentang BH. Hawking skeptis terhadapnya, dan untuk alasan yang bagus. Jika mekanika BH berubah menjadi bentuk termodinamika, ini berarti bahwa BH memiliki suhu. Dan benda-benda dengan suhu memancarkan - "radiasi benda hitam" yang terkenal, yang memainkan peran sentral dalam pengembangan mekanika kuantum. Jadi, jika Bekenshtein benar, ini berarti bahwa lubang hitam itu tidak benar-benar hitam (meskipun Bekenshtein sendiri tidak melangkah terlalu jauh dalam pernyataannya).
Dalam rangka untuk secara serius mendekati masalah ini, perlu untuk memperluas perhatian di luar batas relativitas umum, karena teori Einstein murni "klasik" - itu tidak termasuk ide-ide mekanika kuantum. Hawking tahu bahwa fisikawan Rusia
Alexei Starobinsky dan
Yakov Zeldovich sedang mempelajari efek kuantum di dekat lubang hitam dan
memperkirakan efek seperti "superradiasi." Sama seperti Penrose menunjukkan bahwa energi dapat diekstraksi dari lubang hitam yang berputar, Starobinsky dan Zeldovich menunjukkan bahwa lubang hitam yang berputar dapat memancarkan radiasi secara spontan karena efek mekanika kuantum. Hawking bukan ahli dalam teknik teori medan kuantum, karena pada waktu itu para ahli dalam fisika partikel, dan bukan dalam relativitas umum, memahami bidang ini. Tapi dia cepat belajar, dan menerjang tugas sulit memahami aspek kuantum BH untuk menemukan kesalahan dari Bekenstein.
Sebaliknya, ia mengejutkan dirinya sendiri dan dalam prosesnya membalikkan fisika teoretis. Dia menemukan bahwa Bekenstein benar - BH memiliki entropi - dan bahwa konsekuensi luar biasa dari gagasan ini juga benar - lubang hitam tidak sepenuhnya hitam. Hari ini kita menyebut properti BH ini "entropi Beckenstein-Hawking" dan mereka memancarkan "radiasi Hawking" pada "suhu Hawking" mereka.
"Di jari" kita dapat memahami radiasi Hawking sebagai berikut. Mekanika kuantum mengatakan (antara lain) bahwa suatu sistem tidak dapat secara paksa dibawa ke keadaan klasik tertentu; selalu ada ketidakpastian internal dalam apa yang Anda lihat ketika Anda melihatnya. Ini berlaku bahkan untuk ruang kosong - jika Anda melihat cukup dekat, apa yang tampak seperti ruang kosong akan diisi dengan "partikel virtual" yang terus-menerus muncul dan menghilang. Hawking menunjukkan bahwa di dekat BH sepasang partikel virtual dapat terpisah, dan salah satunya akan jatuh ke dalam BH, dan yang lainnya akan lari sebagai radiasi. Sangat mengejutkan bahwa, dari sudut pandang pengamat eksternal, partikel yang jatuh ke dalam akan memiliki energi negatif. Akibatnya, radiasi secara bertahap menghilangkan massa dari BH - dan menguap.
Hasil Hawking memiliki dampak yang jelas dan luar biasa pada pemahaman kita tentang BH. Alih-alih menjadi jalan buntu kosmik di mana materi dan energi menghilang selamanya, mereka berubah menjadi objek dinamis yang cepat atau lambat sepenuhnya menghilang. Lebih penting bagi fisika teoretis, penemuan ini menimbulkan pertanyaan bahwa kita masih belum memiliki jawaban: ketika materi jatuh ke dalam lubang hitam dan kemudian lubang hitam benar-benar menghilang, ke mana informasinya?
Jika Anda mengambil ensiklopedia dan membuangnya ke dalam api, Anda dapat mempertimbangkan bahwa informasi yang terkandung di dalamnya telah hilang selamanya. Tetapi menurut hukum mekanika kuantum, itu tidak menghilang di mana pun; jika Anda dapat menangkap semua partikel cahaya dan abu yang muncul dari api, pada prinsipnya, Anda dapat secara akurat menciptakan kembali semua yang jatuh ke dalam api - bahkan halaman-halaman buku. Tetapi BH, jika Anda menerima hasil dari Hawking, seperti halnya, sepenuhnya menghancurkan informasi - setidaknya dari sudut pandang dunia luar. Teka-teki ini disebut "paradoks informasi," dan telah menyiksa fisikawan selama beberapa dekade.
Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan dalam memahami gravitasi kuantum (pada tingkat eksperimen pemikiran) meyakinkan semakin banyak orang bahwa informasi disimpan. Pada tahun 1997, Hawking berdebat dengan fisikawan Amerika Kip Thorne dan John Preskil; Hawking dan Thorne mengatakan bahwa informasi sedang dihancurkan, Presquil mengatakan bahwa informasi itu disimpan. Pada 2007, Hawking menyerah dan mengakui bahwa para BH tidak benar-benar menghancurkan informasi. Namun, Thorne tidak menyerah, dan Preskill sendiri percaya bahwa kesimpulan ini terlalu dini. Radiasi dan entropi BH tetap menjadi pusat pencarian pemahaman yang lebih baik tentang gravitasi kuantum.
Kosmologi kuantum
Karya Hawking pada radiasi BH didasarkan pada campuran ide-ide kuantum dan klasik. Dalam modelnya, BH dievaluasi dari sudut pandang klasik, sesuai dengan aturan relativitas umum. Dalam hal ini, partikel virtual di dekat BH diperkirakan sesuai dengan aturan mekanika kuantum. Tujuan akhir dari banyak fisikawan teoritis adalah membangun teori gravitasi quantum yang benar di mana ruang-waktu itu sendiri akan menjadi bagian dari sistem kuantum.
Dan jika ada tempat di mana mekanika kuantum dan gravitasi memainkan peran penting, maka ini adalah awal dari alam semesta. Dan justru pertanyaan ini, yang tidak mengejutkan, bahwa Hawking mengabdikan bagian terakhir dari karirnya. Dan dengan ini, ia menyetujui rencana kerja untuk proyek fisik yang ambisius untuk memahami asal usul alam semesta.
Dalam mekanika kuantum, suatu sistem tidak memiliki lokasi atau kecepatan; keadaannya dijelaskan oleh "fungsi gelombang", yang memberi tahu kita probabilitas bahwa ketika mengukur sistem kita akan mendapatkan lokasi atau kecepatan tertentu. Pada tahun 1983, Hawking dan James Hartle menerbitkan sebuah karya dengan judul sederhana: "Fungsi Gelombang Alam Semesta." Mereka mengusulkan prosedur sederhana, berdasarkan yang - pada prinsipnya! - Mungkin untuk menghitung keadaan seluruh Semesta. Kita tidak tahu apakah fungsi gelombang Hartle-Hawking sebenarnya adalah deskripsi yang benar tentang alam semesta. Karena kami tidak memiliki teori gravitasi quantum yang lengkap, kami bahkan tidak tahu apakah prosedur seperti itu bermakna. Tetapi karya mereka menunjukkan bahwa kita dapat berbicara tentang awal keberadaan Alam Semesta dalam istilah ilmiah.
Mempelajari asal-usul alam semesta menawarkan kemungkinan menggabungkan gravitasi kuantum dengan fitur-fitur alam semesta yang dapat diamati. Ahli kosmologi percaya bahwa perubahan kecil dalam densitas materi sejak awal berangsur-angsur tumbuh dalam distribusi bintang dan galaksi yang kita amati saat ini. Teori lengkap tentang asal usul Alam Semesta dapat memprediksi perubahan ini, dan implementasi program ini adalah salah satu pekerjaan utama fisikawan modern. Hawking membuat beberapa kontribusi untuk program ini, baik dari sisi fungsi gelombang Semesta, dan dalam konteks model "Semesta Inflasi" yang diusulkan oleh Alan Gut.
Hanya berbicara tentang asal usul alam semesta adalah tindakan provokatif. Ini memunculkan harapan bahwa sains akan mampu memberikan deskripsi realitas yang lengkap dan mandiri - dan harapan semacam itu melampaui ruang lingkup sains dan menemukan dirinya di bidang filsafat dan teologi. Hawking, yang selalu menyukai provokasi, tidak pernah malu dengan konsekuensi seperti itu. Dia suka mengingat konferensi kosmologi yang diadakan di Vatikan, di mana Paus Yohanes Paulus II diduga meminta para sarjana yang berkumpul untuk tidak menyelidiki asal usul alam semesta, "karena itu adalah saat penciptaan, dan karena itu adalah karya tangan Tuhan." Tetapi peringatan seperti itu tidak pernah menghentikan Hawking; dia menjalani hidupnya dalam pencarian jawaban tanpa henti untuk pertanyaan-pertanyaan ilmiah yang paling mendasar.