Roku 2009 vznikla na Kalifornské univerzitě v Los Angeles velká anketa, v níž se hlasovalo o největšího fyzika 20. století. Zvítězil v ní Albert Einstein – a Stephen Hawking mezi nejdůležitější jména vůbec nepronikl. Neznamená to ovšem, že by nebyl špičkovým vědcem. Jeho hlavní přínos spočíval v popularizaci vědy a otevírání otázek, kterých se ostatní báli. Největší síla jeho práce spočívala v tom, že dal dohromady několik zásadně odlišných oblastí fyzikální teorie: gravitaci, kvantovou teorii, termodynamiku a teorii informací.
Hawking nahlédl pod pokličku černým dírám. A ukázal, že Velký třesk nepotřeboval Boha
Události ČT: Zemřel Stephen Hawking. Nahlédl pod pokličku černým dírám (zdroj: ČT24)
Všechno vlastně začalo už roku 1910, když Albert Einstein přišel s teorií gravitace. Ta měla nahradit slavnou Newtonovu teorii, která předpokládala, že masivní objekty kolem sebe vytvářejí gravitační pole – vlastně to mělo být docela podobné tomu, jak kolem sebe vytváří magnetické pole magnet.
Toto pole dávalo podle Newtona tělesům schopnost působit na jiná tělesa – například Měsíc takhle vyvolává příliv a odliv, nebo Země si přitahuje dolů jablko.
Einstein ale přišel s jinou představou: gravitace není pole ve vesmíru, gravitace je vlastností vesmíru samotného. Podle něj masivní tělesa (jako je třeba Slunce nebo černá díra) způsobují, že se prostor kolem nich zakřivuje. A právě toto zakřivení prostoru ovlivňuje pohyb těles v jejich blízkosti. Země tak obíhá kolem Slunce podobně jako kulička koulící se po okraji mísy.
Jednou z předpovědí, s nimiž geniální Albert Einstein přišel, je, že dostatečně hmotný objekt může důsledkem vlastní gravitace zkolabovat sám do sebe. Veškerá jeho hmotnost se zbortí do nekonečně malého bodu s nekonečně velkou hustotou – výsledkem je singularita.
Jak uvidíme, nemá pojem času význam před počátkem univerza. Poprvé to zdůraznil sv. Augustin. Na otázku: Co dělal Bůh předtím, než stvořil svět? Augustin neodpověděl: Připravoval peklo pro lidi, co se ptají takové otázky. Místo toho řekl, že čas je vlastností univerza, které stvořil Bůh, a že čas před počátkem světa neexistoval.
Singularita je gravitací tak zprohýbaná, že ji nemůže opustit vůbec nic – dokonce ani světlo ne. Takovému místu se říká černá díra. Teoreticky to popsal ve 40. letech minulého století americký fyzik Robert Oppenheimer – otec americké atomové bomby. Tato představa singularit, které porušují veškeré známé fyzikální zákony, ale byla pro většinu fyziků nepřijatelná, až příliš totiž narušovala jejich představu o vesmíru a celkově se jevila bizarní.
Hawking dokázal, že vesmír musel vzniknout Velkým třeskem
Právě v době, kdy Stephen Hawking začínal studovat na Oxfordu, začíná tato myšlenka ve vědeckém světě silně rezonovat. Hawking si velmi brzy uvědomil, že teorie Velkého třesku má s černými děrami mnoho společného. V čem?
Vznik vesmíru z jednoho bodu je vlastně nesmírně podobný kolapsu hvězdy do černé díry – jen je to časově opačný proces. Už na začátku 70. let dvacátého století tak přišel se studií, ve které ukázal, že z obecné teorie relativity vyplývá, že vesmír musel vzniknout Velkým třeskem.
V té době už trpěl značnými bolestmi, které mu přinášela jeho nemoc, čím dál více se uzavíral do sebe, protože jiných aktivit se zúčastňovat nemohl. A právě tehdy ho napadla myšlenka, která zní sice banálně, ale má obrovské důsledky: černé díry se mohou jen zvětšovat, nikdy ne zmenšovat. Tedy: z černé díry nemůže nikdy nic uniknout, proto se nemůže zmenšit. A navíc se černá díry nikdy ani nemůže rozdělit nebo rozpadnout.
A znovu se ukázalo, jak dobře umí Hawking spojovat různé větve fyziky a spojovat zdánlivě nespojitelné. Podobně, jako si uvědomil podobnost mezi černou dírou a Velkým třeskem (ten se ostatně dnes označuje za jiný druh singularity), ukázal, že horizont událostí černé díry (tedy hranice černé díry), který se musí vždy jen zvětšovat, je podobný entropii. Tedy míře neurčitosti v systému, která se také může jen zvětšovat.
Takhle vysvětloval Hawking, co je černá díra, pro BBC:
Černé díry se mohou podle Hawkinga vypařovat
Podle druhého termodynamického zákona se může neurčitost (entropie) vesmíru jen zvětšovat, nikdy se nemůže zmenšit – neboli jak vesmír stárne, stává se stále méně uspořádaným. Podle Hawkinga je podobnost mezi těmito dvěma zdánlivě nesouvisejícími jevy podivně nápadná.
Což ale zároveň vypadalo jako nesmysl: podle fyzikálních zákonů musí mít předmět s entropií také teplotu – a když má teplotu, znamená to logicky, že vyzařuje nějakou energii. Jenže černé díry nic nevyzařují, jsou definované tím, že je nemůže nikdy nic opustit.
Hawkingovi se zdál tento paradox zajímavý, byť mu připadal jako omyl. A tak se ho pokoušel vyvrátit; jenže během toho narazil na něco fascinujícího. Musel přitom ale sloučit dohromady něco zdánlivě neslučitelného: obecnou teorii relativity a kvantovou teorii (relativita říká, že vesmír je plynulý a jednolitý, zatímco kvantová teorie ho popisuje jako tvořený shluky zrníček).
Takže pokud má vesmír nějaký počátek, mohli bychom předpokládat, že měl tvůrce. Ale jestliže je vesmír skutečně naprosto obsažený v sobě a nemá žádnou hranici nebo kraj, neměl by ani počátek ani konec: prostě by jen byl. Jaké místo zde pak zbývá pro nějakého Tvůrce?
Podle Hawkinga může kolem hranice černé díry docházet ke vznikání párů částic hmoty a antihmoty. Ty žijí ve vesmíru jen extrémně krátkou dobu – vznikají z vakua a velmi rychle se v něm zase ztrácejí. Ale když k tomu dojde u hrany černé díry, může nastat situace, kdy se jedna z částic protuneluje ven. Od té doby si dokáže věda představit, že se černé díry vypařují.
Tímto způsobem je možné, aby z černých děr něco unikalo – a tato myšlenka má v rámci fyziky samozřejmě značné důsledky. Díky Hawkingovi si vědci nyní musí klást tak zásadní otázky, jako je, zda se může černá díra vypařit úplně?
Hawking se snažil dokázat, že Velký třesk nepotřeboval božský zásah
Hawking navíc ukázal, že pro velké černé díry je toto vypařování zcela zanedbatelné, ale o to významnější je pro miniaturní černé díry, jichž může být (respektive v minulosti mohl být) vesmír plný.
Tomuto záření se říká Hawkingovo záření – doposud nebylo zaznamenané; zřejmě proto, že je ho kvůli nízké teplotě černých děr extrémně málo.
Roku 1980 se Hawking pokusil popsat Velký třesk pomocí kvantové mechaniky. Ve spolupráci s Jamesem Hartlem vytvořil jednu rovnici, která měla být schopná popsat celý vesmír těsně po jeho vzniku. Právě z této představy vyšel ve své nejúspěšnější knize Stručná historie času: na samotném počátku, když byl vesmír koncentrovaný do nepředstavitelně drobného prostoru, byly hranice mezi prostorem a časem velmi rozostřené. Vyplývá z toho, že samotné pojmy jako začátek, původ a další v této kvantové pěně vlastně ztrácejí smysl.
Bůh nejenže hraje v kostky. Někdy hází kostkami tam, kde nemohou být vidět. Chtěl jsem ukázat, že je možné způsob, jakým vznikl vesmír, určit pomocí fyzikálních zákonů. V tom případě by nebylo nutné odvolávat se na Boha, abychom mohli rozhodnout, jak vesmír vzniknul. To nedokazuje, že neexistuje Bůh, pouze to, že Bůh není nutný.
Takový vesmír ke svému vzniku ani nepotřebuje Boha, tvrdil Hawking. Vesmír mohl vzniknout sám od sebe, aniž by k tomu potřeboval Boha. Vznik vesmíru stejně jako existence lidstva je prý pouze důsledkem působení fyzikálních zákonů.
Zároveň tak vyvracel jednu z mnoha námitek proti Teorii velkého třesku: její kritici totiž namítali, že pokud byl celý vesmír na samém počátku stlačen do jednoho jediného bodu, došlo k singularitě, odkud nemůže nic unikat a vesmír tak nemohl expandovat. Potřeboval by tak zásah božského stvořitele.
Proč nedostal Nobelovu cenu?
Hawkingův význam a dopad jsou obrovské, vždy ale studoval až příliš exotická a špatně pochopitelná témata. Měla společnou i další vlastnost: jen těžko se pro ně hledají důkazy. Do černé díry se dostat nedá, i další jevy, které zkoumal, jsou v podstatě neprokazatelné. V pamětech „Stručná historie mého života“ píše: „Nedostal jsem Nobelovu cenu, protože je tak těžké prokázat, že to, co já jsem vymyslel, je pravda.“