Hawkingi saavutused universumi mõtestamisel on nagu mälestuskivid

PIRET KUUSK

Stephen Hawking õppis matemaatikat ja füüsikat Oxfordi ülikoolis 1959–1962 ning kosmoloogiat doktorantuuris Cambridge’i ülikoolis. Hawkingi meelest oli just kosmoloogia see, kus Einsteini gravitatsiooniteooria täpne matemaatika tõotas anda kõige selgema vaate kogu universumile. Doktoritöö „Paisuva universumi omadused“ kaitses ta 1965. aastal.

Gravitatsiooniteooriasse kuuluvad ka tema edasised teedrajavad tööd, kus teooriavõrranditest lähtudes on ennustatud uusi ja ootamatuid nähtusi. Nimetame olulisemad tema mõttekonstruktsioonidest, mille vastu teadlased, ja mitte ainult nemad, siiani suurt huvi tunnevad.

Kui praegu on universum paisuv, siis minevikus on ta olnud järjest väiksem ja kunagi pidi ta siis üleni mahtuma aegruumi ühteainsasse punkti. Arvati, et see arusaamatu järeldus on tingitud Einsteini võrrandite paisuva universumi lahendile esitatud kitsendavatest sümmeetriatingimustest. Hawking ja ta doktorantuurikaaslane George Ellis näitasid väga üldistest kaalutlustest, et see ei ole nii, et niisuguse kosmoloogilise singulaarsuse olemasolu on otsene järeldus üldrelatiivsusteooria matemaatikast. 1973. aastal avaldasid nad raamatu „Aegruumi suureskaalaline struktuur“, kus peale tavapärase diferentsiaalgeomeetria matemaatika on kasutusele võetud ka topoloogia. Umbes samal ajal uuris kerasümmeetrilise aine kokkuvarisemist raskusjõu mõjul Oxfordi matemaatik Roger Penrose ja näitas, et ka sel juhul sisaldavad Einsteini võrrandite lahendid singulaarsusi – aegruumi erilisi punkte, kus mõned matemaatilised või füüsikalised suurused peaksid omandama lõpmata suure väärtuse. Tänapäeval on need tulemused tuntud kui Penrose’i-Hawkingi singulaarsusteoreemid.

Einsteini võrrandite kerasümmeetrilisi lahendeid nimetatakse ka mustadeks aukudeks. 1970ndate algul leidis Hawking, et kui kaks musta auku juhtuvad ühinema, tekib gravitatsioonikiirgus. Kui 2015. aastal jõuti gravitatsioonilainete esmakordse registreerimiseni ja väideti, et lainete allikaks saab olla vaid kahe musta augu kokkupõrge, võis Hawking rõõmsalt hüüatada: tore, ma ennustasin seda nähtust juba mitukümmend aastat tagasi!

Mustade aukudega haakub ka Hawkingi järgmine teema, mis on tuntud kui mustade aukude termodünaamika. 1973. aastal leidsid Hawking ja Jacob Bekenstein, et matemaatiliselt käitub mustade aukude teatud omadus, nn lõkspinna pindala niisamuti nagu soojusõpetuses esinev entroopia. Kohe seejärel näitasid nad, et ka soojusõpetuse teisele põhimõistele, temperatuurile saab leida vaste musta augu matemaatikas ning et selliselt defineeritud entroopia ja temperatuur alluvad seaduspärale, mis on täpselt samasugusel kujul nagu soojusõpetuse vastavad seadused.

Kui mustal augul on temperatuur, peaks ta kiirgama soojust. See oli Hawkingi järgmine teoreetiline saavutus: 1974. aastal näitas ta, et mustad augud kaotavad tõepoolest oma massi (energiat) protsessis, mida praegu nimetatakse Hawkingi kiirguseks. Selle tuletamiseks oli tarvis kaasata ka kvantteooria mõisteid.

On teada, et üldrelatiivsusteooria ja kvantteooria põhialused on omavahel vastuolus: esimene eeldab, et aegruumi lihtsaim koostisosa on ajahetk ruumipunktis, teine aga eeldab, et kvantosake ei pruugi igal hetkel olla täpselt ühes ruumipunktis. Aastakümneid on püütud neid kahte alusteooriat ühendada, kuid ükski seni esitatud kvantgravitatsiooniteooria variantidest ei ole osutunud edukaks selles mõttes, et saaks järeldada katselisi või vaatluslikke efekte. Hawking nägi vajadust aegruumi kvantteooria järele juba oma singulaarsusteoreemide juures: selleks et vältida füüsikaliselt arusaamatut Suure Paugu hetke ja mateeria koondumist ühteainsasse ruumipunkti, tuleb teooriasse viia Heisenbergi määramatuse relatsioon, mille kohaselt asukohta, ka singulaarsuse oma, ei saa määrata kui tahes täpselt. Seetõttu arvatakse, et Suure Paugu lähedal ei kirjelda universumit enam Einsteini üldrelatiivsusteooria, vaid seni veel olematu kvantgravitatsiooniteooria. Alates 1977. aastast tegeles Hawking selle otsingutega, muu hulgas ka kvantkosmoloogiaga. Viimane tähendab, et kogu universumit käsitletakse kvantsüsteemina, mida saab täielikult iseloomustada olekufunktsiooniga. 1983. aastal esitasid Hawking ja James Hartle selle ühe võimaliku kuju, mida praegu tuntakse Hartle’i-Hawkingi olekufunktsioonina. Kahjuks ei saa seda siin lähemalt tutvustada, kuna see eeldaks kvantväljateooria matemaatika valdamist.

Hawking oli oodatud lektor teaduskonverentsidel ja teaduskoolides. Kui tema tuntus hakkas väljuma teadusringkondade piirest, oli ta lahkelt nõus tutvustama oma teadust – teoreetilist alusfüüsikat – ka laiemale avalikkusele. 1988. aastal ilmus tema kõige tuntum raamat „Aja lühilugu“, mis varsti jõudis raamatumüügi edetabelite tippu; eesti keeles ilmus see ajakirjas Akadeemia järjejutuna (nr 12/1992 – nr 4/1993). Sellele järgnes veel mitmed rahvaraamatud, neist viimased koos tütre Lucyga. Ka neid on tõlgitud eesti keelde.

Hawkingi saavutused universumi mõtestamisel on nagu mälestuskivid, mida ta on meile pärandanud – õppimiseks ja edasiarendamiseks.

Piret Kuusk on füüsik ja teadusfilosoof, Tartu ülikooli füüsika instituudi vanemteadur ja teoreetilise füüsika labori juhataja.