Phoebe Newman Czy śmierć oszukała Stephena Hawkinga, laureata Nagrody Nobla?
Kiedy kultowy fizyk zmarł 14 marca 2018 r., były już dostępne dane, które mogłyby potwierdzić złowrogą i dalekosiężną prognozę, którą przedstawił ponad cztery dekady temu. Dr Hawking postawił hipotezę, że czarne dziury, to zagłada z powodu grawitacji, mogą się tylko powiększać, a nie zmniejszać — połykając informacje w trakcie przepływu i zagrażając naszej zdolności śledzenia historii wszechświata.
Dane te zostały uzyskane w 2015 roku, kiedy LIGO (ang. Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) zarejestrowało sygnały z dwóch masywnych czarnych dziur, które zderzyły się i utworzyły jeszcze masywniejszą czarną dziurę.
Przewidywanie dr Hawkinga było pierwszym kluczowym krokiem w serii spostrzeżeń na temat czarnych dziur, które zmieniły współczesną fizykę. Stawką jest to, czy grawitacja Einsteina, która tworzy większy wszechświat, działa według tych samych zasad mechaniki kwantowej, sprzecznych zasad panujących w atomie.
Opublikowano potwierdzenie przewidywań dr Hawkinga Tego lata w fizycznych pismach przeglądowych. Zespół kierowany przez Maximiliano Isi, fizyka z Massachusetts Institute of Technology, i jego kolegów spędził lata na dochodzeniu do szczegółów odkryć LIGO, a w lipcu w końcu ogłosili, że dr Hawking miał rację, przynajmniej w przypadku tego czarnego koloru. kolizja dziur.
„To ekscytujący test, ponieważ jest to od dawna pożądany wynik, którego nie można osiągnąć w laboratorium na Ziemi” – powiedział w e-mailu Matthew Geisler, badacz z Cornell University i członek zespołu dr Issey. „Ten test wymagał zbadania połączenia dwóch czarnych dziur oddalonych o ponad miliard lat świetlnych i nie można go było przeprowadzić bez LIGO i jego bezprecedensowych detektorów”.
Nikt nie twierdzi, że zna umysł Komitetu Nagrody Nobla, a nazwiska osób nominowanych do nagrody były utrzymywane w tajemnicy przez kolejne 50 lat. Jednak wielu uczonych zgadza się, że potwierdzenie przewidywań Hawkinga przez dr Essie mogło sprawić, że dr Hawking – i jego współautorzy konkretnego artykułu na ten temat – kwalifikowaliby się do Nagrody Nobla.
Ale Nagrody Nobla nie można przyznać pośmiertnie. Wynik dr Issy przyszedł za późno.
Tydzień Nagród Nobla powraca w poniedziałek, kiedy niektórzy naukowcy mają nadzieję na telefon, aby namaścić ich na zwycięzców i zaprosić ich na wystawną galę w Sztokholmie 10 grudnia (w tym roku, z powodu pandemii, nagrody zostaną wręczone w kraje zwycięzców.)
Dr Hawking, prawdopodobnie jeden z najbardziej znanych i szanowanych badaczy, nigdy nie zdobył i nigdy nie zdobył Nagrody Nobla. Jego historia przypomina o tym, jak ostateczna nagroda za prestiż podlega perypetiom losu.
chmura wszechświata
Historia zaczęła się w 1970 roku, kiedy dr Hawking szykował się pewnej nocy do łóżka – trudne zadanie dla mężczyzny już na wpół sparaliżowanego stwardnieniem zanikowym bocznym lub chorobą Lou Gehriga.
Myślał o czarnych dziurach – obiektach o sile grawitacyjnej tak silnej, że według ogólnej teorii względności Alberta Einsteina nawet światło nie może z nich uciec. Kochają się w nieskończoność.
Każda czarna dziura jest otoczona horyzontem zdarzeń, niewidzialną bańką, która wyznacza granicę bez powrotu; Cokolwiek wejdzie, nigdy nie wyjdzie. Dr Hawking zdał sobie sprawę, że teoria Einsteina oznaczała również, że horyzont zdarzeń czarnej dziury nigdy nie może się zmniejszyć. Czarna dziura tylko zyskuje na masie, więc całkowita powierzchnia jej horyzontu zdarzeń tylko rośnie.
To był odważny pomysł. Natura nie musiała tak działać. Co by było, gdyby czarne dziury rozdzieliły się na dwie części lub rozproszyły się i zniknęły jak bańki mydlane?
Wizja Hawkinga stała się kamieniem węgielnym gazety z 1973 r.”Cztery prawa mechaniki czarnej dziury,Napisał ją z Jamesem Bardeenem, obecnie na Uniwersytecie Waszyngtońskim, i Brandonem Carterem, obecnie we Francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych.
Prawa te zawierały również niepokojącą konsekwencję fizyki zwaną teorią „bez włosów”. Pole powierzchni horyzontu zdarzeń jest miarą wszystkich informacji, które pochłonęła czarna dziura. Podobnie jest z czarną dziurą, bez względu na to, czy pochłania ona materię, czy antymaterię, Teslę czy Volkswagena, strusia czy wieloryba. Czarne dziury mają tylko trzy właściwości: masę, spin i ładunek elektryczny. Nie ma innych szczegółów, ani nagrania „Poezji”.
Ta teoria oznacza, że wraz ze starzeniem się czarnej dziury i wzrostem horyzontu zdarzeń, ilość utraconych informacji o tym, co znajduje się w jej wnętrzu, również wzrośnie. Wszechświat będzie coraz głupszy i głupszy, ukrywając coraz więcej szczegółów ze swojej przeszłości, w tym być może nawet twoją egzystencję. Tajemnica pogłębiła się w 1974 roku, kiedy dr Hawking obliczył, że efekty kwantowe spowodują powolny wyciek i eksplozję czarnej dziury.
Dążenie do zrozumienia, co dzieje się z informacją w czarnej dziurze, zmieniło podstawy fizyki i ożywiło pokolenie młodych teoretyków. Stawką jest to, czy grawitacja Einsteina, która rządzi wszechświatem, i mechanika kwantowa, która rządzi mikrokosmosem, działają według tych samych zasad.
„Wszystko zaczęło się od uświadomienia sobie przez Hawkinga, że całkowity obszar horyzontu czarnych dziur nigdy nie może się zmniejszyć” – powiedział dr Isi.
Ale bez czarnych dziur do eksperymentowania, pomysłów dr Hawkinga nie można przetestować.
LIGO na ratunek
LIGO to zmieni. Taką obietnicę Kip Thorne, fizyk teoretyczny z Caltech i jeden z założycieli LIGO, złożył dr Hawkingowi w 2003 roku. Nowa tablica będzie w stanie uporządkować właściwości czarnych dziur do czasu, gdy dr. W 2012 roku skończył 70 lat.
„Twój dar jest taki, że detektory fal grawitacyjnych — LIGO, GEO, Virgo i LISA — przetestują twoje przewidywania dotyczące czarnych dziur w złotym wieku, a ty zaczniesz tak dobrze sobie radzić przed swoimi 70. urodzinami” — powiedział niedawno dr Thorne, gdy mu powiedział. .
Zajęło to więcej czasu – do 14 września 2015 r. – aby LIGO zaobserwowało swoje pierwsze historyczne wydarzenie: zderzenie dwóch czarnych dziur. Porównując wykryte wzorce fal z symulacjami komputerowymi, zespół LIGO doszedł do wniosku, że jedna z czarnych dziur była 36 razy większa niż nasze Słońce, a druga 29 razy większa — co odpowiada łącznie 65 słońc. W wyniku zderzenia powstała nowa czarna dziura o masie około 62 słońc. Trzy słońca energii zniknęły w falach grawitacyjnych, które wstrząsnęły wszechświatem.
Obserwacja nie tylko potwierdziła istnienie fal grawitacyjnych, jak przewidział Einstein 100 lat temu, ale dostarczyła pierwszych bezpośrednich dowodów na istnienie czarnych dziur.
Wyciek kopii dokumentu z odkrycia dotarł do dr Hawkinga na kilka dni przed oficjalnym ogłoszeniem wyników. Był zdumiony, że nie znalazł żadnej wzmianki o czterech prawach mechaniki czarnej dziury ani o możliwości, że odkrycie posłużyło jako test dla nich. Wysłał SMS-a do doktora Thorne’a na Skype, autora artykułu.
„Stephen jest całkowicie zdumiony” – napisał dr Thorne do kolegów.
Nikt nie pomyślał o sprawdzeniu praw mechaniki czarnej dziury i było już za późno, by cokolwiek dodać do artykułu. Co więcej, jak niedawno wyjaśnił dr Thorne, dane były zbyt zaszumione, aby zmierzyć rozmiar nowo powstałej czarnej dziury wystarczająco dobrze, aby potwierdzić teorię dr Hawkinga.
W 2017 roku dr Geisler, doktorant z Caltech, i jego koledzy wykorzystali symulacje numeryczne zderzających się czarnych dziur, aby zajrzeć głębiej w wir zagłady.
Kiedy powstaje nowo połączona czarna dziura, wibruje. Podobnie jak bęben generuje dźwięk podstawowy, a także harmoniczne – tony lub tony podstawowe. Dr Geisler odkrył, że alikwoty okazały się zaskakująco głośne na początku procesu fuzji. Używając tych tonów, w 2019 roku on i jego koledzy Udowodnij teorię „bez włosów”, który stwierdza, że czarne dziury można opisać tylko trzema parametrami.
Tego lata byli w stanie rozszerzyć zakres swojej analizy, wykorzystując znaczną część nowej czarnej dziury do pomiaru jej rozmiaru. Doszli do wniosku, że obszar horyzontu zdarzeń nowej czarnej dziury zwiększył się, jak od dawna przewidywał dr Hawking.
Noblowskie sny
Czy to przyniosłoby doktorowi Hawkingowi Nagrodę Nobla, gdyby jeszcze żył?
„Nie czuję się komfortowo spekulując” – powiedział dr Thorne, który w 2017 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoją rolę w rozwoju LIGO.
Andrew Strominger z Uniwersytetu Harvarda, wieloletni współpracownik dr Hawkinga, powiedział: „Nie jestem wtajemniczony w obrady Komitetu Noblowskiego, ale Hawking rzeczywiście zostałby uwzględniony w tej nagrodzie, gdyby żył. Ostatnie doświadczenia sprawią, że sprawa jeszcze silniejsza.”
Daniel Holz, astrofizyk z University of Chicago, który jest częścią współpracy LIGO, ale nie jest częścią zespołu dr Essie, opisał wynik jako „absolutnie niezwykły”.
„Można powiedzieć, że jest to obserwacyjne potwierdzenie jednej z jego przewidywań” – powiedział. „Chciałbym, żeby Komitet Nobla to uznał”.
Nagroda fizyki zawsze skłaniała się ku odkryciom praktycznym i eksperymentalnym; Nawet Einstein zdobył nagrodę za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego, a nie za teorię względności. Najdalszym punktem, do którego ostatnio dotarł Komitet Noblowski w dziedzinie astrofizyki teoretycznej, był rok 2020, kiedy Roger Penrose z Uniwersytetu Oksfordzkiego otrzymał nagrodę za udowodnienie, że czarne dziury są możliwe we wszechświecie.
Ale podzielił nagrodę z dwoma astronomami, Reinhard Genzel, z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka, oraz Andrea Gęsi, z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, obaj badali supermasywną czarną dziurę w centrum Drogi Mlecznej.
Nawet jeśli dr Hawking wciąż żył, gdy udowodniono teorię regionu czarnej dziury, trudno byłoby mu się dobrze dopasować – Nagrodę Nobla można by przyznać najwyżej trzem osobom. A co z dr Bardeenem i dr Carterem, współautorami dr Hawkinga? A zespół doktora Isseya?
Dr Hawking nie byłby pierwszym naukowcem, który umarłby zbyt wcześnie, by otrzymać Nagrodę Nobla.
Michael Turner, wybitny kosmolog pracujący obecnie w Fundacji Kavli w Los Angeles, napisał w e-mailu, odnosząc się do astronoma Edwina Hubble’a, który odkrył rozszerzający się wszechświat. – Ale on umarł pierwszy.
Robert Prout, fizyk teoretyczny z Université Libres de Brussels, prawdopodobnie zostałby uhonorowany Nagrodą Nobla 2013 za przewidzenie istnienia bozonu Higgsa, wraz ze swoim kolegą François Englertem i Peterem Higgsem z Uniwersytetu w Edynburgu, gdyby nie był. Zmarł w 2011 roku.
Ronald Drever z University of Glasgow, jeden z założycieli LIGO, podzieliłby Nagrodę Nobla 2017 z dr Thorne i Rainerem Weissem z Massachusetts Institute of Technology, gdyby nie zmarł na początku 2017 roku. Jego miejsce zajął Barry C. Parafia Caltechu.
Dr Hawking spoczywa obok Isaaca Newtona i Karola Darwina w Opactwie Westminsterskim. Może to lepsze niż spędzenie zimy w Sztokholmie.
