Stephen Hawking, som dog onsdag, var en enormt inspirerande och inflytelserik forskare. Trots att han levde det mesta av sitt liv med en allvarlig neurodegenerativ sjukdom, als, som lämnade honom förlamad, uppnådde Hawking en sällsynt berömmelse i både vetenskapliga kretsar och den populära fantasin.
kort efter att ha hört nyheten om hans död, jag mailade ett antal framstående fysiker och astronomer att fråga, ” vad, i ditt sinne, är Hawking största arv?,”
nästan alla nämnde sin populära bok en kort historia av tid. Men det näst vanligaste svaret var det astronomiska fenomenet som bär hans namn: Hawking strålning.
det är fenomenet som förklarar hur svarta hål förlorar massa, och dess upptäckt var hans kronande vetenskapliga prestation. Men som så många av de bästa upptäckterna inom vetenskapen skapade den också mer stora frågor om universum och hur det fungerar.,
Hawking strålning, förklaras så enkelt som möjligt
Hawking upptäckt började med en enkel klingande fråga: gör svarta hål avger någon värme? Han hade tidigare bestämt att svarta hål följer termodynamikens andra lag, vilket innebär att entropi (ett mått på störning) bara ökar över tiden. Och som ny vetenskapsman förklarar ” allt som har entropi … har också en temperatur.”
på 1970-talet tog Hawking, med mycket matte, väsentligen temperaturen på ett svart hål.,
Han gjorde detta genom att kombinera insikter från både Einsteins relativitetsteori (som beskriver hur gravitationen fungerar på stora skalor) och kvantmekanik (som beskriver hur universums allra minsta komponenter fungerar). Det här är de två stora teorierna om hur universum fungerar som forskare har letat i årtionden för att kombinera. Och de båda spelar in vid händelsehorisonten i ett svart hål, gränsen bortom vilken gravitation är så stark att inte ens ljus kan fly.,
innan Hawkings upptäckt troddes svarta hål vanligtvis vara föremål i vilka saker går in men aldrig komma ut (tänkandet beror delvis på Hawkings arbete som beskriver singulariteter inom svarta hål.)
i huvudsak visade Hawking att svarta hål, som så många objekt i vårt universum, kan krympa och dö. Han gjorde även denna insikt till lite råd för oss alla: ”saker kan komma ur ett svart hål. … Så om du känner att du är i ett svart hål, ge inte upp — det finns en väg ut.,”
så hur kan ett svart hål, med gravitation så kraftfull inte ens ljus kan fly, krympa?
här är förklaringen, och det är ganska trippy. Cliff Burgess, en fysiker vid McMaster University i Kanada, gick mig igenom det.
först och främst: Quantum mechanical theory förklarar att partiklar och deras motsvarigheter, antipartiklar, ständigt dyker in och ut ur existens. Normalt, när de dyker in i existens, håller de inte så länge eftersom en partikel och dess motsvarighet snabbt kommer att förinta varandra., (Tack och lov, i början av tiden, skapades mer materia än antimateria. Utan den obalansen skulle universum snabbt ha förstört sig själv.)
men livet vid kanten av ett svart hål är inte normalt. Där, om dessa par partiklar blir till existens, är det möjligt för ena sidan av paret att falla in. ”Den som faller i det svarta hålet har effektivt negativ energi”, säger Burgess, ” och den andra kan komma ut och fly från det svarta hålet, med positiv energi.”
partikeln som flyr bildar Hawking strålningen., Och eftersom partikeln som faller i har negativ energi, ”du subtraherar väsentligen energi från det svarta hålet”, säger Burgess. ”Det betyder att du har tagit massa bort från det svarta hålet.”
nu har ingen fysiker någonsin direkt bevittnat detta (en teori av teorin är att mindre svarta hål, som är svårare för astronomer att hitta, kommer att utstråla mer värme). Men Hawkings matte var så övertygande att nästan varje fysiker tror att denna strålning existerar. Och det betyder att svarta hål så småningom avdunstar och till och med exploderar.,
fyndet var så viktigt eftersom det först och främst gav en aning om att kvantmekanik och allmän relativitet en dag kunde förenas i en stor teori. Med andra ord, om kvantmekanik och relativitet kunde komma ihop för att förklara vad fan som händer vid kanten av ett svart hål, kunde de förmodligen komma ihop någon annanstans.
detta fynd provocerar ännu-till-vara-besvarade frågor
men det uppmanar också andra enormt intressanta, obesvarade frågor om svarta hål., ”För en verkar Hawking strålning göra saker som borde vara omöjliga”, säger Burgess, som att radera all information om vad som gick in i det svarta hålet.
om du fyller upp ett svart hål med massivt guld och fyller upp en annan med pizzor, kommer den Hawking strålning som varje svart hål avger att vara densamma. Det bryter faktiskt universums lagar som vi känner dem.
kvantmekanik säger att du borde kunna helt redogöra för varje partikels väg i universum., Så om du kastar en pizza i ett svart hål, bör du kunna spåra hur att pizza slits isär; du bör kunna se vad som händer med de enskilda atomer som utgör skorpan, ost, etc. Kvantmekanik föreskriver att alla partiklar i universum kan redovisas och information kan inte raderas.
men i ett svart hål förloras den informationen. Hawking strålning innebär att det svarta hålet förlorar massa. Men vi har ingen aning om vad det betyder för pizza, som förmodligen fortfarande är inne i det svarta hålet.,
det är ett vetenskapligt mysterium som ifrågasätter en av våra mest grundläggande naturlagar. Och Burgess säger Hawking strålning fortsätter att generera frågor och forskning om gravitationens natur och hur den relaterar till andra krafter.
forskare har fortfarande ingen stor förståelse för hur kvantmekanik (vetenskapen om den mycket lilla) förklarar gravitationen. Och Hawking, med sin strålning, gav en lockande ledtråd.,
stöd Vox förklarande journalistik
varje dag på Vox, vi strävar efter att svara på dina viktigaste frågor och ge dig, och vår publik runt om i världen, med information som ger dig genom förståelse. Vox arbete når fler människor än någonsin, men vårt distinkta varumärke av förklarande journalistik tar resurser. Ditt ekonomiska bidrag kommer inte att utgöra en donation, men det kommer att göra det möjligt för vår personal att fortsätta att erbjuda gratis artiklar, videor och podcasts till alla som behöver dem. Vänligen överväga att göra ett bidrag till Vox idag, från så lite som $3.,