Stephen Hawkings Ph.D. specialet styrtede sit værtswebsted ned - her er hvad det siger i enkle vendinger

Ph.d. -afhandlingen af ​​måske verdens mest berømte levende videnskabsmand, Professor Stephen Hawking, blev for nylig offentliggjort online. Det har vist sig så populært, at kravet om at læse det efter sigende styrtede ned på sit værtswebsted, da det oprindeligt blev uploadet.

Men i betragtning af emnets kompleksitet - "Egenskaber ved ekspanderende univers" - og det faktum, at Hawkings bog A Brief History of Time også er kendt som den mest ulæste bog nogensinde, du kan drage fordel af en opsummering af hovedresultatet.

Specialet dækker flere emner, herunder nyligt opdaget gravitationsstråling, men det sidste kapitel er den del, som mange fysikere betragter som den mest betydningsfulde. Det omhandler selve universets fødsel, og har simpelthen titlen "Singularities".

Skabelsesteorier

Den største bedrift med Hawkings tese var effektivt at vise, at Big Bang -teorien om, hvordan universet begyndte fra et enkelt punkt, var fysisk muligt. Det var ikke bare en matematisk gener, der sprang ud af de ligninger, fysikere havde udviklet for at beskrive den mulige udvikling af kosmos.

Konceptet om, at universet startede for en endelig tid siden i et Big Bang, er nu en accepteret videnskabelig kendsgerning, og alligevel er det stadig en forbløffende idé. Forestil dig:alt stof i din krop blev engang - i en eller anden form - komprimeret til det samme lille volumen som den fjerneste galakse og alt derimellem. For cirka 14 milliarder år siden, dette punkt ekspanderede hurtigt for at skabe plads og tid. Det fortsætter med at udvide i dag.

På tidspunktet for Hawkings ph.d. i 1960'erne, forskere skændtes stadig om ideen. Et populært alternativ til Big Bang var modellen Steady State. Tilhængere af Steady State -modellen var utilpas med et univers af en endelig alder, der begyndte på denne måde. Faktisk, monikeren "Big Bang" blev opfundet som en spottende betegnelse af Steady State -mester Fred Hoyle. For at forstå, hvordan Hawking viste, at det virkelig var muligt, vi har brug for noget baggrundsfysik.

Rumtid og særpræg

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, Albert Einstein revolutionerede vores forståelse af tyngdekraften gennem sin generelle relativitetsteori. Einstein viste, at vi kunne tænke på tyngdekraften som rumtidens krumning, forårsaget af tilstedeværelsen af ​​masse eller energi.

Rumtid er en måde at tænke på universets rammer, der kombinerer tredimensionelt rum og endimensionel tid. Alle objekter eksisterer, og alle begivenheder sker et sted i rumtiden. Men det er svært for de fleste mennesker at forestille sig, fordi, selvom vi kan bevæge os frit i det tredimensionelle rum, vi kan ikke rejse, hvor vi kan lide gennem tiden. Det er lidt som at være et insekt fanget på overfladen af ​​en dam. Det kan kun bevæge sig i to dimensioner, på trods af at der er en anden rumlig dimension at udforske.

Generel relativitet udtrykker, hvordan rum og tid hænger sammen. I hans teori, Einstein beskrev elegant, hvordan rumtidens krumning er relateret til massefylde og energi i hans "feltligninger".

Efter at disse ligninger blev offentliggjort, andre forskere brugte dem til at undersøge, hvad der sker med rumtiden i forskellige fysiske situationer. I tilfælde af objekter, hvor alt stof er koncentreret til et enkelt punkt, feltligningerne forudsiger noget usædvanligt:​​rumtidens krumning bliver så ekstrem, at selv lys ikke kan undslippe. I dag ved vi, at disse objekter faktisk eksisterer som sorte huller, og vi har siden fundet beviser for dem i rummet.

Disse situationer, hvor løsningerne til ligningerne bliver uendelige, kaldes "singulariteter". Hawkings sidste afhandlingskapitel udforskede denne idé om singulariteter, ikke i rumtiden omkring sorte huller, men for hele universet.

Fra sorte huller til Big Bang

I kosmologi, et centralt princip er, at rummet skal, gennemsnitlig, være homogen og isotrop. Med andre ord, i stor skala, universets indhold skal være temmelig jævnt fordelt og se det samme ud i alle retninger.

Den enkleste løsning på Einsteins feltligninger, der opfylder disse betingelser, kaldes "Robertson-Walker metric", opkaldt efter de forskere, der er involveret i dens udvikling. Metricen er simpelthen det udtryk, vi bruger til at beskrive intervallet mellem to begivenheder i rumtiden.

Vigtigere, Robertson-Walker-løsningen gør det muligt at ændre den rumlige del af metriket med tiden. Det betyder, at det kan beskrive et univers, hvor rummet selv ekspanderer. Edwin Hubble fandt bevis for, at universet virkelig udvider sig i 1920'erne ved at vise, at andre galakser bevæger sig væk fra os.

Robertson-Walker metriske og feltligninger giver os mulighed for at beskrive denne ekspansion i form af, hvad kosmologer kalder "skalafaktoren", beskriver, hvor meget plads der er udvidet eller kontraheret mellem et bestemt tidspunkt og i dag.

Hvis universet udvider sig, den skulle have været mindre og tættere tidligere. Kør uret langt nok tilbage, og skalfaktoren skal gå til nul. Al materie og energi i universet må have været indeholdt i et enkelt punkt med uendelig tæthed:en kosmologisk singularitet. Dette er grundlaget for Big Bang -modellen, lidt som et sort hul i omvendt.

Ophævelse af den jævne tilstand

Steady State -modellen forsøgte at eliminere den kosmologiske singularitet, som mange hævdede ikke var sandsynligt. Singulariteter blev set som mangler ved forudsigelserne om generel relativitet og ikke i overensstemmelse med de kendte fysiske love.

I modellen Steady State, universet er evigt og har slet ikke en begyndelse. Dens tilsyneladende ekspansion kan forklares ved at tilføje et "skabelsesfelt" eller C-felt til Einsteins ligninger, der ville betyde, at der kontinuerligt skabes stof i rummet mellem galakser, når de bevæger sig fra hinanden.

Men i det sidste kapitel af hans ph.d. -afhandling, Hawking hævdede, at ideen om et C-felt kom med sit eget sæt problemer, og at den rigtige model involverede Robertson-Walker-løsningen, der beskriver en indledende singularitet.

Det, han gjorde derefter, var, hvad mange anser for banebrydende. Bygger på arbejdet fra den britiske fysiker Roger Penrose, Hawking viste matematisk, at singulariteter ikke var en mangel på teori, men forventede egenskaber ved naturen. Han demonstrerede effektivt, at generel relativitet tillod et univers, der begyndte i en singularitet.

Et halvt århundrede senere, observationsbeviset for Big Bang -skabelsesscenariet er overvældende, og Steady State -modellen er længe blevet opgivet. Hawking har fortsat med at yde yderligere monumentale bidrag til kosmologi og teoretisk fysik. At læse Hawkings speciale er et indblik i et usædvanligt kreativt sind - og de første opdagelsestrin i det, der har været en bemærkelsesværdig videnskabelig rejse.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.