Stephen Hawking
Stephen William Hawking, CBE, FRSA, FRS (8. tammikuuta 1942 Oxford, Iso-Britannia – 14. maaliskuuta 2018 Cambridge, Iso-Britannia) oli brittiläinen teoreettinen fyysikko ja kosmologi.
Hawking työskenteli Cambridgen yliopiston Lucas-professorina virassa, jossa on aiemmin työskennellyt muun muassa Isaac Newton. Hän toimi Cambridgen yliopiston professorina vuodesta 1977 ja matematiikan professorina vuodesta 1979 lähtien. Hän jäi eläkkeelle syksyllä 2009. Eräät Hawkingin kosmologiaa käsittelevät teokset ovat menestyneet hyvin. Sen myötä hänellä on maine myös tieteen kansantajuistajana. Hawkingin vuonna 1988 julkaisema kirja "Ajan lyhyt historia" oli vuoden 1995 toukokuuhun mennessä ollut "Sunday Times" -lehden parhaiten myytyjen kirjojen luettelon kärjessä yhteensä 237 viikkoa, mikä rikkoi aiemman 184 viikon ennätyksen. Ennätys kirjattiin vuonna 1998 "Guinnessin ennätysten kirjaan".
ALS-tauti aiheutti Hawkingille lähes täydellisen liikuntakyvyttömyyden. Hänelle tehtiin henkitorveen avanne, minkä vuoksi hän menetti myös puhekykynsä. Hän viesti pyörätuoliinsa liitetyllä puhesyntetisaattorilla, jonka avulla hän pystyi kirjoittamaan lauseita kirjain kirjaimelta laitteen puhuttaviksi. Hawking oli poikkeuksellinen ALS-potilas kahdessakin suhteessa: hän sairastui ALS:ään jo 21-vuotiaana ja tauti oli hänellä erittäin pitkään. Tyypillisesti ALS:ään sairastutaan 40–60-vuotiaana ja potilaat menehtyvät 3–5 vuoden kuluttua taudin toteamisesta. Hawkingin sairaus eteni niin, ettei hän voinut osallistua 70-vuotiaana syntymäpäiväjuhlallisuuksiinsa.
Stephen Hawkingin vanhemmat Frank ja Isobel Hawking asuivat ennen hänen syntymäänsä Lontoossa, jossa Hawkingin isä työskenteli omassa lääketieteellistä tutkimusta tekevässä yrityksessään. Frank Hawking oli vaimonsa tavoin opiskellut Oxfordissa, missä oli pääasiallisesti keskittynyt lääketieteeseen ja varsinkin trooppisiin sairauksiin. Isobel Hawking tunnetaan poliittisena kansalaistoimijana, mutta hän työskenteli ennen Frank Hawkingin tapaamista myös muun muassa verovirkailijana ja lääketieteellisen laboratorion sihteerinä. Stephen Hawkingin vanhemmista kumpikin oli lähtöisin keskiluokkaisesta perheestä.
Hawkingit muuttivat Oxfordiin, koska Lontoo oli toisen maailmansodan aikaan vaarallinen paikka odottavalle äidille. Oxfordissa Isobel Hawking synnytti esikoisensa, Stephen Hawkingin, 8. tammikuuta 1942, tasan 300 vuotta Galileo Galilein kuoleman jälkeen. Frank Hawking oli jäänyt Lontooseen, jonne Isobel palasi poikansa kanssa. Perhe asui Highgatessa Pohjois-Lontoossa, jossa Stephen aloitti koulunkäynnin. Hänellä on kaksi sisarta, Mary ja Philippa, ja yksi veli, Edward.
Frank Hawking sai työtä Mill Hillistä, ja perhe muutti St Albansiin, jotta matkustaminen olisi helpompaa. Tällöin Stephen Hawking oli kahdeksan vuoden ikäinen. Hawking kävi koulua St Albansin tyttölukiossa, johon pojatkin hyväksyttiin 10 ikävuoteen asti. Seuraavaksi Frank Hawking halusi poikansa siirtyvän Westminsterin yksityiskouluun, sillä hänen mielestään se takaisi pojalle paremman tulevaisuuden. Vanhemmilla ei kuitenkaan ollut varaa lukukausimaksuihin, joten Stephenin olisi pitänyt saada apuraha opintojaan varten. Hawking ei kuitenkaan päässyt stipendinhakukokeisiin (), koska oli sairaana juuri niiden aikaan. Joka tapauksessa Hawking uskoi saaneensa paremman opetuksen St Albansissa kuin ehkä olisi saanut Westminsterissä.
Westminster-haaveiden kariuduttua isä päätti lähettää poikansa St Albans School -nimiseen oppilaitokseen, joka oli sisäoppilaitos perheen kotikaupungissa. Vuonna 1952 koulussa pidettiin pääsykokeet, jotka nuori Hawking läpäisi helposti. Saman vuoden syyskuussa hänet hyväksyttiin kouluun. Hawkingin luokkatoverit suhtautuivat häneen paikoin viileästi. Hän joutui myös koulukiusatuksi lievän puhevikansa takia. Toisaalta Hawkingilla oli myös samalta luokalta ystäviä, jotka hänen tapaansa menestyivät hyvin koulussa. Hawkingin keskiarvo oli vain hiukan luokkansa keskitason yläpuolella, mutta tästä huolimatta opettajat ilmeisesti pitivät häntä älykkäänä oppilaana.
Poliittisten aatteiden suhteen nuori Hawking sai paljon vaikutteita jokseenkin vasemmistolaiselta äidiltään, joka myös kuului paikalliseen liberaalijärjestöön. Toinen yhteiskunnallisesti Hawkingiin vaikuttanut henkilö oli St Albans Schoolissa opettanut herra Finlay. Tämän opetustapoihin kuului keskustella jo kolmasluokkalaistenkin kanssa yhteiskunnallisesti merkittävistä aiheista kuten ydinaseriisunnasta ja syntyvyyden säännöstelystä.
Koulussa Hawkingin matematiikanopettaja sai hänet kiinnostumaan matematiikasta, jota hän viimeisinä vuosina koulussaan erikoistui opiskelemaan. Hänen isänsä olisi halunnut poikansa jatkavan opiskeluja Oxfordin yliopiston University Collegessa, jossa hän oli itse aikaisemmin opiskellut. Nuori Hawking halusi tulevia yliopisto-opintojaan ajatellen ottaa pääaineikseen fysiikan ja matematiikan jatkokurssin. Frank Hawking toivoi kuitenkin pojastaan itsensä tavoin lääkäriä ja vaati tätä ottamaan myös kemian pääaineekseen. Niinpä lopulta Stephen Hawking valitsi pääaineikseen matematiikan, fysiikan ja kemian. Tässä vaiheessa hänen ei kuitenkaan tarvinnut tehdä vielä päätöksiä yliopistoa ajatellen.
Sisäoppilaitoksen kuudetta luokkaa käydessään Hawking pääsi ensimmäistä kertaa sanomalehteen paikallisen "Herts Advertiser" -julkaisun tehtyä jutun hänestä ja muutamasta muusta oman tietokoneensa rakentaneesta kuudesluokkalaisesta. Tähän aikaan Englannissa oli tietokoneita lähinnä vain puolustusministeriössä ja joissakin yliopistoissa.
Maaliskuussa 1959 Hawking meni stipendinhakukokeisiin tavoitteenaan päästä Oxfordiin opiskelemaan luonnontieteitä. Pääsykokeessa tuli suorittaa kirjallisina viisi kahden ja puolen tunnin koetta, jotka jakautuivat fysiikkaan, matematiikkaan ja yleistietoon. Osa kysymyksistä ei liittynyt mitenkään aineisiin, joiden opiskelijaksi Hawking pyrki: esimerkiksi eräässä kysymyksessä oli tehtävänä eritellä juuri valtaan nousseen Fidel Castron tulevaa merkitystä maailmalle. Kirjallisten kokeiden jälkeen kukin hakija vielä haastateltiin erikseen. Kokeiden jälkeen Hawking sai kutsun uuteen haastatteluun, minkä jälkeen hänet hyväksyttiin oppilaaksi ja hänelle myönnettiin stipendi.
Hawking kävi isänsä kanssa väittelyjä ja keskusteluja tulevista opinnoistaan. Hän halusi yhä opiskella lääketieteen sijasta fysiikkaa ja matematiikkaa. Myöhemmin Hawking kertoi, ettei halunnut opiskella biologiaa, koska se oli hänestä ”liian kuvailevaa eikä pureutunut riittävän syvälle perusasioihin”. Frank Hawking taas ajatteli, ettei matemaatikon koulutus avaisi juuri muita uravaihtoehtoja kuin opettajan ammatin. Lopulta Stephen sai tahtonsa läpi.
Luonnontieteellisissä opinnoissaan University Collegessa Hawking erikoistui fysiikkaan. Fysiikan ja matematiikan tehtävät olivat hänelle helppoja, eikä hän viitsinyt juuri ahkeroida koulumenestyksensä eteen. Tähän aikaan University Collegessa vain jotkin tilaisuudet olivat pakollisia opiskelijoille, mutta muuten he saivat käyttää ajan haluamallaan tavalla. Loppuarvosana muodostui pelkästään yliopiston järjestämästä loppukokeesta. Stephen Hawking itse on sanonut Oxfordin-ajoistaan:
Hawking itse kuitenkin menestyi juurikaan ponnistelematta, vaikka osallistui ensimmäisenä vuonnaan lähes pelkästään matematiikkaa käsitteleviin opintoihin. Toisaalta silloinen fysiikan opetus ei tasoltaan juuri poikennut siitä, mitä Hawkingilla oli ollut St Albans Schoolissa. Vähäisestä vaivannäöstään huolimatta hän onnistui muun muassa voittamaan pakollisen yliopiston fysiikkakilpailun toisena Oxfordin vuotenaan. Vastapainona yliopiston aiheuttamalle ikävystymiselle ja liian helpoille kursseille Hawking alkoi harrastaa soutua joukkueensa perämiehenä. Opiskeluaikanaan Hawking joutui hankaluuksiin virkavallan kanssa maalattuaan ystäviensä seurassa paikalliseen siltaan tekstin: ”"ÄÄNESTÄ LIBERAALEJA"”.
Vietettyään laiskottelevaa opiskelijaelämää liki kolmen vuoden ajan Oxfordissa Hawking joutui osallistumaan ratkaisevaan loppukokeeseen. Ennen koetta Hawking ymmärsi opiskelleensa liian vähän, eikä hän luontaisista kyvyistään huolimatta välttämättä kykenisi hankkimaan siitä loistopisteitä. Kuitenkin vasta loppukoe määräisi lopullisen arvosanan kolmen vuoden opiskeluista: edeltäneillä kokeilla ja kilpailuilla ei olisi merkitystä. Laskelmiensa mukaan Hawking oli käyttänyt opiskeluunsa noin tunnin päivässä kolmen vuoden ajan, minkä hän ei uskonut riittävän loppukokeeseen. Paineita lisäsi myös se, että hänen pääsynsä Cambridgeen riippuisi siitä, kuinka hyvän loppuarvosanan hän saisi. Loppukokeessa Hawkingin taktiikkana oli keskittyä pääosin teoreettisiin kysymyksiin, jotka eivät vaatisi kovin yksityiskohtaisia tietoja. Kokeen jälkeen selvisi, että hän oli yltänyt parhaan ja toiseksi parhaan arvosanan rajamaille. Ongelmana vain oli, että Cambridgeen vaadittiin paras mahdollinen Oxfordista saatava arvosana. Hawkingin mahdollinen tulevaisuus Cambridgessa ratkaistiin suullisessa kuulustelussa. Laiskasta ja alkoholintäytteisestä opiskelijaelämästään huolimatta Hawking onnistui kuulustelussa vakuuttamaan opettajansa älykkyydestään. Lopulta hänelle myönnettiin Cambridgeen oikeuttava arvosana.
Vuonna 1962 Hawking muutti Oxfordista Cambridgeen tutkiakseen yleistä suhteellisuusteoriaa ja kosmologiaa. Tällöin hänen tuli myös valita väitöskirjansa aiheeksi joko kvanttifysiikka tai kosmologia. Hawkingin omien sanojen mukaan hänen valintaansa vaikutti muun muassa se, että hiukkasfysiikalta puuttui kunnon teoria. ”Hiukkaset vain järjestettiin luokkiin kuten kasvit”, kertoi Hawking myöhemmin. ”Sen sijaan kosmologiassa on selkeä lähtökohta, Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria.” Näin Hawking päätyi kosmologiaan.
Näihin aikoihin Hawkingilla alkoi esiintyä ongelmia motorisessa koordinaatiossa: paikoin jopa kengännauhojen sitominen tuotti ongelmia. Näitä asioita ei kuitenkaan juuri huomattu Cambridgessa. Opiskelussa ongelmana taas oli, että Hawking ei päässyt haluamansa tutkijan oppilaaksi eivätkä hänen matematiikan taitonsa enää riittäneet suhteellisuusteorian vaatimiin mutkikkaisiin ja työläisiin laskutoimituksiin. Lisäksi Hawkingin opiskelu alkoi jälleen muistuttaa Oxfordin elämää. Hänen opettajansa mielestä ongelmien lähteenä oli myös se, ettei Hawking ollut löytänyt haluamaansa aihetta väitöskirjansa pohjaksi.
Joululomalla kotonaan Hawking tapasi nuoren Jane Wilden, tulevan vaimonsa. He tutustuivat toisiinsa ja ystävystyivät. Joululoma toi kuitenkin Hawkingille myös huonoja uutisia, sillä kotipuolessa hänen lisääntyneet koordinaatio-ongelmansa huomattiin välittömästi. Aluksi hänen isänsä Frank Hawking, joka oli erikoistunut trooppisiin sairauksiin, epäili, että hänen poikansa oli sairastunut johonkin outoon tautiin lomallaan Lähi-idässä.
Hawking oli sairaalassa kaksi viikkoa keväällä 1963. Hänellä havaittiin motoneuronisairaus nimeltä amyotrofinen lateraaliskleroosi (ALS), joka tunnetaan myös nimellä Lou Gehrigin tauti. Hawkingin tila heikentyi nopeasti, ja lääkärit ennustivat, ettei hän eläisi tarpeeksi kauan valmistuakseen tohtoriksi: Hänelle luvattiin elinaikaa enää kaksi vuotta. Lehdistössä myöhemmin esiintyneiden tietojen mukaan Hawking olisi tulokset saatuaan eristäytynyt huoneeseensa ja alkanut juoda. Hawking kiisti kuitenkin itse kirjoitukset ankarasta juopottelusta liioitteluna. Joka tapauksessa Hawking masentui syvästi. Hän on kuitenkin kertonut, että nähtyään samassa sairaalassa kuolemaa tekevän leukemiapotilaan hän ymmärsi, että joillakuilla muilla meni vielä häntäkin huonommin. Olotilansa vakautuessa Hawking alkoi taas työstää väitöstyötään ohjaajansa Dennis Sciaman ohjaamana. Hawkingin isä oli pyytänyt Sciamalta, että Hawking voisi väitellä tohtoriksi nopeammin kuin asetetussa kolmessa vuodessa, mutta yliopiston säännöt kielsivät tämän. Hawking ei omien sanojensa mukaan nähnyt syytä nähdä vaivaa tohtorintutkinnon eteen. Jane Wilde sai hänet kuitenkin piristymään masennuksensa jälkeen.
Hawkingin sairaus eteni nopeasti, ja pian hän alkoi tarvita kävelykeppiä kyetäkseen liikkumaan. Hawking sai kuitenkin kaikesta huolimatta vakiinnutetuksi itselleen maineen lupaavana tulevaisuuden fyysikkona. Hän sai kosmologipiireissä huomiota osoittaessaan matemaattisesti, että maailmankuulun tutkijan Fred Hoylen uusin teoria oli virheellinen. Hawking ja Hoyle kävivät aiheesta väittelyjä, joiden lopputuloksena Hawkingin kanta osoittautui oikeaksi ja teoria todistettiin vääräksi. Sairaus jatkoi kuitenkin leviämistään, ja pian Hawkingin puheesta oli vaikeata saada selvää. Samalla hän kuitenkin lisäsi työskentelyään, ja väitöskirja eteni nopeammin. Hawking myös kihlautui Jane Wilden kanssa ja avioitui tämän kanssa vuonna 1965.
Hawking sai uutta puhtia väitöskirjansa tekoon kuultuaan Lontoossa pidetyillä luennoilla mustista aukoista ja näiden mahdollisesti sisältämistä singulariteeteista. Tämän jälkeen Hawking alkoi kehitellä aiheeseen liittyvää omaa teoriaansa, jonka hän otti mukaan väitöskirjaansa. Hawking valmistui filosofian tohtoriksi Cambridgen yliopiston Trinity Hallista vuonna 1966. Pian tämän jälkeen hän sai tutkijafellow'n paikan Cambridgen Gonville and Caius Collegesta.
Hawking liittyi Institute of Astronomyn henkilökuntaan vuonna 1968. Oltuaan virassa viisi vuotta hän siirtyi Cambridgen yliopiston sovelletun matematiikan ja teoreettisen fysiikan laitokselle. Hawkingista tuli Cambridgen yliopiston gravitaatiofysiikan professori vuonna 1977, ja kaksi vuotta myöhemmin hän sai Lucas-professuurin. Vuosina 1965–1970 Hawking tutki singulariteettia yleisen suhteellisuusteorian avulla ja laati tämän tuloksena uudenlaisen matemaattisen mallin, jonka avulla singulariteetteja voidaan tutkia. Hawking teki lukuisia tutkimuksia Roger Penrosen kanssa, joka oli tuohon aikaan Lontoossa Birkbeck Collegessa. Vuodesta 1970 eteenpäin Hawking alkoi soveltaa keksintöjään mustiin aukkoihin.
Samaan aikaan Hawkingin sairaus paheni entisestään, ja hän joutui vaihtamaan kävelykeppinsä kainalosauvoihin. Myös hänen puheensa muuttui entistä epäselvemmäksi. Cambridgessa Hawking alkoi saavuttaa mainetta tutkijana, ja joissakin piireissä hänestä puhuttiin jo ”uutena Einsteinina”. Hawking sai myös lapsen vaimonsa Janen kanssa, mutta koska Hawking itse ei voinut sairautensa takia osallistua kotitöihin, jäivät ne kokonaisuudessaan hänen vaimonsa hoidettaviksi. Vaimo onkin myöhemmin kuvaillut ensimmäisiä avioliittovuosia:
Hawkingin tutkimukset mustista aukoista johtivat merkittävään löytöön vuonna 1970. Vuonna 1974 käyttämällä kvanttiteoriaa mustien aukkojen ominaisuuksien tutkimiseen Hawking kykeni osoittamaan, että mustat aukot tuottavat säteilyä. Tätä säteilyä kutsutaan nykyään Hawkingin säteilyksi.
Hawking ja hänen ensimmäinen vaimonsa Jane Wilde, silloinen Hawking, erosivat vuonna 1991. Eron syynä olivat Hawkingin saama kuuluisuus ja hänen sairautensa vaikeutuminen. Perheeseen oli tätä ennen syntynyt kolme lasta. Neljä vuotta eron jälkeen 1995 Hawking avioitui hoitajansa Elaine Masonin kanssa. Tämän ensimmäinen aviomies David Mason oli suunnitellut ensimmäisen version Hawkingin puhesyntetisaattorista. Lokakuussa vuonna 2006 Hawking haki eroa 11 vuotta kestäneestä avioliitosta.
Syntymäpäivänään 8. tammikuuta 2007 Hawking ilmoitti, että lähtisi samana vuonna painottomuuslennolle harjoitellakseen Virgin Galactic -yhtiön aluksella vuonna 2009 järjestettävälle avaruuslennolle, jonka kaikki kustannukset miljardööri Richard Branson oli lupautunut maksamaan.
Hawkingin sairauden pahentuessa hänen puheensa tuli entistä hitaammaksi ja vaikeammaksi jopa tietokoneen avulla. 24. kesäkuuta 2012 ilmoitettiin, että Hawking tulisi kokeilemaan iBrain -laitetta, joka voisi tulevaisuudessa mahdollistaa kommunikoinnin aivoaaltojen avulla.
Hawking kuoli 76-vuotiaana maaliskuussa 2018. Hänen hautajaisensa pidettiin 31. maaliskuuta Cambridgen kirkossa. Tuhkat sijoitetaan Westminster Abbeyyn Isaac Newtonin haudan viereen, lähelle Charles Darwinin viimeistä leposijaa.
Hawkingin keskeisimpiä tutkimusaloja olivat kosmologia, kvanttigravitaatio ja säieteoria. Hänen tärkeimmät työnsä käsittelevät mustien aukkojen ja termodynamiikan välistä suhdetta.
Hawkingin uran alkuvuosina tiedepiireissä vallitsi epäselvyys mustien aukkojen suhteen. Mustien aukkojen olemassaolon teoreettinen mahdollisuus oli jo tiedossa, mutta useimmat tieteilijät eivät pitäneet niitä todella olemassa olevina. Mustien aukkojen singulariteettien ääretöntä tiheyttä ei vielä pidetty yleisesti ongelmana. 1960-luvulla taas kosmologipiireissä puhuttiin, että itse kaikkeus voisi käyttäytyä käänteisen mustan aukon tavoin.
Vuonna 1971 Hawking ja Sir Roger Penrose osoittivat, että kaikkeuden on täytynyt olla jossain vaiheessa singulariteetti, mikäli yleinen suhteellisuusteoria pätee. Tällaista näkemystä tähtitieteilijät olivat vastustaneet vielä 1940- ja 1950-luvuilla, eli ennen kuin varsinainen alkuräjähdysteoria oli saanut yleistä kannatusta. Myöhemmin Hawking pyrki kumoamaan oman teoriansa (muun muassa kirjassaan "Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa") käyttämällä imaginaariaikaa: singulariteetti muuttuu samankaltaiseksi pisteeksi kuin mikä hyvänsä muu piste aika-avaruudessa, ja näin voidaan päästä osin eroon ongelmista, joita singulariteetti aiheuttaisi maailmankaikkeuden alussa.
Hawking kiinnostui mustista aukoista erityisesti tajutessaan, että hänen ja Penrosen laskentamenetelmiä olisi mahdollista soveltaa niihin. Samaan aikaan Hawkingin kanssa mustien aukkojen olemusta pohti myös Yhdysvalloissa toimiva Jakob Bekenstein, jonka kanssa Hawking joutui riitoihin. Kiista koski sitä, kuinka termodynamiikkaa tulisi soveltaa mustiin aukkoihin: Hawking käytti termodynamiikkaa pelkkänä ajattelumallinaan, kun taas Bekenstein sovelsi sitä suoraan mustiin aukkoihin.
Hawkingin mustia aukkoja koskeva työ mutkistui huomattavasti, sillä pitkälle edenneen sairautensa takia hän ei voinut enää käyttää kynää ja paperia laskelmissaan. Hawking joutuikin tekemään monimutkaiset laskelmat päässään. Monet työtovereista ovatkin kuvanneet hänellä olevan erittäin hyvä muisti. Esimerkiksi erään kertoman mukaan Hawking saattoi muistaa jo vuosia sitten lukemassaan kirjassa olevan pienen virheen sekä kyseisen sivunumeron.
Mustia aukkoja koskevissa tutkimuksissaan Hawking päätti lähestyä ongelmia uudella tavalla. Hän yritti yhdistää laskuissaan sekä kvanttifysiikkaa että suhteellisuusteoriaa. Tätä vaativaa tehtävää hankaloitti Hawkingin kyvyttömyys käyttää apuvälineitä laskuissaan. Vuonna 1974 Hawking laski, että mustat aukot lähettävät ainetta ympäristöönsä, mikä vie aukoilta energiaa niin paljon, että ne saattavat lakata olemasta. Tulos oli mullistava, ja Hawking piti sitä itsekin aluksi pähkähulluna. Tämä Hawkingin teoreettisesti laskema niin sanottu Hawkingin säteily on sitä voimakkaampaa, mitä pienempi aukon massa on. Lopulta mustan aukon massa lähenee nollaa, Hawkingin säteily voimistuu entisestään, ja aukko näyttää räjähtävän. Ajatus oli uusi, ja se herätti nopeasti julkistamisensa jälkeen vastustusta. Teoria nousi nopeasti puheenaiheeksi ympäri maailmaa fyysikoiden keskuudessa.
Hawkingin säteily voidaan selittää virtuaalihiukkasten avulla. Nämä virtuaalihiukkaset ovat hiukkasia, joita on kvanttiteorian mukaan kaikkialla. Ne ovat hiukkas-antihiukkas-pareja, jotka kumoavat toistensa vaikutuksen heti syntymänsä jälkeen, mikä johtaa molempien hiukkasten tuhoutumiseen. Virtuaalihiukkasten joutuessa mustan aukon läheisyyteen, toinen virtuaalihiukkaspareista saattaa pudota mustaan aukkoon, jolloin hiukkasparin toinen osapuoli jää yksin. Jäljelle jäänyt hiukkanen saattaa päätyä myös mustaan aukkoon, tai liikkua pois sen läheisyydestä.
Virtuaalihiukkasparin käyttäytymistä mustan aukon läheisyydessä voidaan tarkastella myös toiselta suunnalta. Mikäli mustaan aukkoon putoaa antihiukkanen, sitä voidaan pitää mustan aukon vaikutuskentästä poistuvana tavallisena hiukkasena, mikä on selitettävissä antihiukkasen erikoispiirteiden avulla. Kun loogisesti katsoen ”väärin” kulkeva hiukkanen saavuttaa pisteen, jossa virtuaalihiukkanen vaikuttaa syntyneen, painovoimakenttä laittaa sen kulkemaan ajassa eteenpäin, jolloin se poistuu tavallisena hiukkasena mustan aukon läheisyydestä. Näin aikamatkustus toteutuu äärimmäisen pienessä mittakaavassa.
Hawkingin tutkimukset mustien aukkojen parissa olivat olleet uraauurtavia myös siksi, että ne olivat pystyneet yhdistelemään suhteellisuusteoriaa ja kvanttiteoriaa. Esimerkiksi pelkästään yleisen suhteellisuusteorian mukaan mustan aukon pinta-ala ei voisi pienentyä, toisin kuin mitä Hawkingin laskelmat osoittivat. Yhdisteltyään kahta tieteen perusteoriaa Hawking alkoi tutkia kvanttiteorian soveltamista myös maailmankaikkeuden alkuun.
Kvanttiteorian ja suhteellisuusteorian yhdistäminen on ollut yksi nykyaikaisen tieteen suurimmista haasteista. Hawking ei kuitenkaan lähtenyt yrittämään teorioiden yhdistämistä, vaan tyytyi joidenkin osa-alueiden käsittelyyn. 1980-luvun alussa hän päätyi johtopäätökseen, jonka mukaan ajalla ei mahdollisesti ole alkua.
Hawking otti tutkimuksissaan kantaa myös braaneihin. Esimerkiksi kirjassaan Hawking 2003 hän omisti braaneille oman luvun. Braani (tunnetaan myös nimellä "p-braani") on teoreettisessa fysiikassa käytetty teoria, jonka mukaan maailmankaikkeutemme olisi yhden braanin pinnalla ja braaneja voisi olla useita. Teorian avulla on voitu laajentaa säieteoriaa ja M-teoriaa. Braanit keksi Paul Townsend Cambridgen teoreettisen matematiikan ja -fysiikan laitokselta.
Braaneissa merkintä p tarkoittaa ulottuvuuksia. 0-braani olisi siis nollaulotteinen braani, 1-braani säie, 2-braani pinta eli membraani, 3-braani avaruus ja 4-braani aika-avaruus. Tunnettu maailmankaikkeutemme on M-teoriassa yleisesti 10-braani tai 11-braani, vaikkakin neljästä perusulottuvuudesta ("korkeus", "leveys", "syvyys" ja "aika") eriävät ulottuvuudet ovat käpertyneet hyvin pieniksi, mahdollisesti äärettömiksi toruksiksi.
Pääsääntöisesti kaikki voimat käyttäytyvät braanissa aivan kuten tavanomaisessa, neliulotteisessa maailmassa. Poikkeuksen tähän tekee painovoima, jonka vaikutus voi ulottua myös lisäulottuvuuksiin ja sitä kautta toisiin braaneihin. Tämän tiedon avulla on voitu selittää pimeän aineen olemassaolo siten, että pimeä aine olisikin todellisuudessa viereisen "haamubraanin" kappaleen painovoima joka ulottuisi lisäulottuvuuksiin.
Braaneihin liittyen Hawking muun muassa käsitteli ajatusmallia, jossa braania voitaisiin kuvata kuplana ja sen sisältämää tilaa viidentenä ulottuvuutena. Tässä mallissa braanin pinnalla oleva ulottuvuus voidaan kokea laajenevaksi samalla kun itse kupla pullistuu ilmapallon tavoin. Hawking pohti myös kysymystä siitä, että ovatko ihmiset ainoastaan braanille lankeavia varjoja, ja että todelliset tapahtumat olisivatkin kuvatun ”kuplan” sisällä. Kysymykseen siitä, mitä braanien ulkopuolella mahdollisesti olisi, Hawking esittää kirjassaan Hawking 2003 kolme mahdollisuutta. Ensimmäisen mukaan ulkopuolella ei ole mitään, eikä edes tyhjää avaruutta. Toisen mahdollisuuden mukaan braani liittyy toiseen braaniin, mutta matemaattisesti asia on sama kuin tyhjä ulkopuoli. Kolmannen mallin mukaan braani itse on avaruudessa, joka poikkeaa ”kuplan” sisäosasta. Siten myös useampien braanien määrä on mahdollinen, samoin kuin braanien väliset törmäyksetkin – onkin esitetty, että alkuräjähdys voisi johtua juuri tällaisesta törmäyksestä.
Hawking otti jonkin verran kantaa myös aikamatkailuun ja sen mukanaan tuomiin ongelmiin. Aihetta hän käsitteli sekä kirjassaan "Ajan lyhyt historia" että "Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa", jossa hän toteaa: ”Fyysikoista vain me muutamat höyrypäät olemme uskaltautuneet ryhtyä näin arveluttavaan puuhaan [aikamatkustuksen käsittelyyn].”
Hawking oli kuitenkin yksi monista aikamatkustuksen mahdollisuuteen hyvin epäilevästi suhtautuvista tutkijoista. Teoksissaan Hawking ei kuitenkaan suoraan kieltänyt aikamatkustuksen mahdollisuutta, mutta piti sitä hyvin epätodennäköisenä. Hänen laskujensa mukaan todennäköisyys sille, että ihminen pystyy matkaamaan menneisyyteen ja murhaamaan isoisänsä, olisi yhden suhde kymmenen potenssiin miljoona triljoonaa triljoonaa triljoonaa.
Hawking tunnettiin myös tieteen yleistajuistajana, erityisesti maineikkaista tietokirjoistaan. Näistä on suomennettu "Ajan lyhyt historia" (1988), "Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa" (2001), Leonard Mlodinowin kanssa kirjoitettu "Ajan lyhyempi historia" (2005) sekä tytär Lucy Hawkingin kanssa kirjoitettu nuortenkirja "Avain maailmankaikkeuteen" (2007). Suomentamatta on vuonna 1993 ilmestynyt kirjoituskokoelma "Black Holes and Baby Universes and Other Essays". Hawkingin kirjoittamia oppikirjoja ovat George Ellisin kanssa työstetty "The Large Scale Structure of Spacetime" (1973) sekä Werner Israelin kanssa tehdyt "General Relativity: An Einsteinian Centenary Survey" (1979) ja "300 Years of Gravity" (1987).
Varsinkin "Ajan lyhyt historia" on noussut suureen suosioon. Se on saatavilla neljälläkymmenellä eri kielellä, joiden kokonaispainos ylittää yhdeksän miljoonaa kappaletta. Uudistetun painoksen alkusanoissa Hawking kirjoittaakin, että maailmassa on yksi "Ajan lyhyt historia" -kirja jokaista 750 ihmistä varten. Toinen Hawkingin suomennettu teos, "Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa" keskittyy kertomaan tieteen uusista suuntauksista ja linjoista "Ajan lyhyen historian jälkeen". Kirjassa Hawking käsittelee nykyaikaisia kaikkeuden luonnetta hahmottavia teorioita, kuten supersäikeitä, braaneja, kvanttifysiikkaa ja M-teoriaa.
Stephen Hawking käsitteli myös ihmiskunnan tulevaisuuteen liittyviä kysymyksiä. Kirjassaan "Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa" hän omisti kokonaisen luvun ihmiskunnan tulevaisuuden pohdiskeluun.
Luvun alussa Hawking toteaa muun muassa, että jos kasvu väkiluvun ja sähkönkulutuksen suhteen jatkuisi nykyvauhdilla, ”vuonna 2600 ihmiset seisoisivat maapallolla kylki kyljessä ja tuotettu sähköteho saisi koko planeetan hehkumaan punaisena”. Siispä Hawking toteaa, ettei kasvu voi jatkua loputtomiin, ja antaa yhdeksi vaihtoehdoksi koko ihmiskunnan tuhoavan ydinsodan. Toisaalta hän myös huomauttaa:
Ihmiskunnan tulevaisuutta pohtiessaan Hawking käsitteli geenimanipulaatiota ja sen soveltamista ihmisiin. Hawking ei pitänyt ihmisen geenimuuntelua hyvänä asiana. Joka tapauksessa hän kuitenkin arveli, että melko varmasti jossakin vaiheessa myös ihmisten geeneihin kajotaan keinotekoisesti. ”Vain koko maapallon kattava täydellinen diktatuuri voisi estää sen”, kirjoittaa hän Hawking 2003 -kirjassaan. Kirjassaan hän ottaa puheeksi myös tietokoneiden lisääntyvän tehon ja toteaa, että tietokoneille on mahdollista kehittää keinotekoisesti ihmisenkaltaista älykkyyttä. Tästä Hawking jatkaa päättelemällä, että älykkäät tietokoneet pystyisivät myös suunnittelemaan vielä älykkäämpiä koneita. Ihmisten älykkyyden kehittymisestä Hawking taas toteaa, että pään koko synnytyksessä muodostaa rajan aivojen kehitykselle, mutta kasvattamalla sikiöitä laboratorioissa tämä ongelma voitaisiin kiertää.
Ihmiskunnan kehittymisen lisäksi Hawking käsitteli eri otteissa tähtienvälistä matkustamista ja uusille planeetoille siirtymistä. Nasan 50-vuotisjuhlassa pitämässään puheessa Hawking esitti näkemyksen, jonka mukaan 0,25 prosenttia maailman bruttokansantuotteesta tulisi suunnata Maan ulkopuolisten asuttamismahdollisuuksien kartoitukseen. Miehitetylle Mars-lennolle hän esitti toteuttamisajaksi viimeistään vuoden 2025. Pidemmän aikavälin tavoitteeksi hän halusi asettaa Aurinkokunnan ulkopuolelle suuntautuvan miehitetyn lennon 200–500 vuoden sisällä.
Hawking käsitteli kysymystä siitä, että jos älykästä elämää on kehittynyt muualla maailmankaikkeudessa, miksi esimerkiksi maapallolla ei ole jo vierailtu. Toisen hänen selityksensä mukaan mahdollinen älykkäämpi sivilisaatio ei juuri piittaisi itseään vähemmän älykkäästä ihmiskunnasta, samaan tapaan kuin ihmiset eivät juuri huomaa jaloissaan pyöriviä hyönteisiä ja matoja. Asiallisempana selityksenä Hawking pitää sitä, ettei muille planeetoille liene kehittynyt älyllistä elämää. Hawking on huomauttanut, ettei evoluutio välttämättä johda väistämättömästi älyn syntymiseen, ja ettei älykkyys loppujen lopuksi anna eloonjäämiskamppailussa kovin suurta etulyöntiasemaa. Kirjassa Hawking 2003 Hawking toteaakin: ” – – älystä ei kenties ole ratkaisevaa etua eliölajien välisessä olemassaolokamppailussa. Bakteereilla menee hyvin ilman älyäkin, ja ne jäävät jäljelle, kun tämä niin kutsuttu älykäs laji on tuhonnut itsensä ydinpommeilla. Voimme siis löytää galakseista alkeellista elämää, mutta tuskin itsemme kaltaisia olentoja.”
Keväällä 2010 Hawking julkaisi aiemmasta käsityksestään poikkeavan lausunnon. Hän vetosi, että ihmiskunnan pitäisi välttää kontaktia maapallon ulkopuoliseen elämään. Hawking totesi olevansa vakuuttunut siitä, että elämää löytyy maapallon ulkopuolelta. Hän perustaa näkemyksensä todennäköisyyksiin – on rationaalista olettaa, että 100 miljardia galaksia sisältävässä maailmankaikkeudessa Maa ei ole ainoa planeetta, jolla olisi kehittynyt elämää. Planeettojen suhteen Hawking on varma. Hän pitää mahdollisena, että elämää voisi löytyä muualtakin, kuten tähdistä tai leijumassa ulkoavaruudessa. Suurin haaste onkin Hawkingin mielestä selvittää, millaista maapallon ulkopuolinen elämä olisi. Hawkingin mielestä kontaktiyrityksiä vieraiden planeettojen älyyn pitäisi välttää, koska jotkut avaruusolennot voivat muodostaa uhan maapallolle. Tässä tapauksessa yhteyden muodostaminen niihin voisi olla ihmiskunnalle tuhoisaa.
Syksyllä 2010 Hawking kehotti ihmiskuntaa miehittämään avaruuden kahden seuraavan vuosisadan aikana, ellei se halua kuolla sukupuuttoon. Hän näkee ihmiskunnan olemassaoloa uhkaavien kriisien, millainen esimerkiksi Kuuban ohjuskriisi oli, lisääntyvän tulevaisuudessa. Pitkällä tähtäimellä on vaikeaa tai jopa mahdotonta välttää tällaista onnettomuutta, joten kaikkia munia ei tulisi pitää yhdessä korissa. Uhkia hänen mukaansa ovat väkiluvun ja rajallisten raaka-aineiden käytön eksponentiaalinen kasvu. Hawkingin mukaan ihmiskunnan ainoa mahdollisuus säilyä pitkään onkin muutto Maasta ja uusien planeettojen asuttaminen.
Hawkingin St Albans Schoolin aikaisten nuoruudenystävien tiedetään eräässä vaiheessa kiinnostuneen suuresti kristinuskosta ja myöhemmin okkultismista. Hawkingin ei kuitenkaan tiedetä jakaneen ystäviensä näkemyksiä, ja myöhemmin hänen on kuvattu tarkkailleen uskoon ja Jumalaan liittyviä keskusteluja ”älyllisistä korkeuksista”. Tosin St Albans Schoolin kolmannella luokalla koulu palkitsi Hawkingin teologiassa. Kristinuskoa enemmän Hawkingia kiinnosti ystäväpiirissään uskonnollisen suuntauksen jälkeen jalansijaa saanut okkultismi. Pääosin tämä johtui siitä, että kokeiden mahdollisuus oli uskontoa suurempi.
Hawkingin ei tiedetä osoittaneen uskonnollista ajattelua myöskään silloin, kun hänen ALS-tautinsa todettiin. Elämäkertakirjassaan Michael White ja John Gribbin kuvaavat tätä vaihetta kirjoittaen:
Aikuisiällä Hawkingia on kuvattu sanoen, ettei hän ole varsinainen ateisti, vaan hän ei välttämättä vain pysty sovittamaan Jumalaa todellisuuskäsitykseensä. Hawkingin ensimmäinen vaimo Jane oli saanut kristillisen kasvatuksen, minkä johdosta avioparin uskonnolliset näkemykset poikkesivat suuresti toisistaan. Hawking totesi ennen vuotta 1992, että ”maailmankaikkeuden alkua tutkiessani liikun uskonnon ja luonnontieteen rajamailla, mutta yritän pysytellä luonnontieteiden puolella rajaa. Mahdollisesti Jumala toimii tavalla, jota ei voi kuvata luonnonlakien avulla. Siinä tapauksessa kyse on vain itse kunkin henkilökohtaisesta uskosta.”
Yksi uskontoon ja tieteeseen liittyvä ajatus, josta Hawking aikanaan riiteli vaimonsa Janen kanssa oli Hawkingin suosima niin sanottu ”reunattomuusmalli”, jossa kaikkeus on Hawkingin sanojen mukaan ”yksinkertaisesti vain olemassa”, eikä siten vaatisi syntyhetkeä tai erillistä luomista.
Vuonna 2010 Hawking totesi, että kaikkeuden syntyminen ei vaadi jumalan vaikutusta. Hänen mukaansa voidaan nähdä, että alkuräjähdys on ollut johdonmukainen seuraus fysiikan laeista. Kirjassa Suuri suunnitelma hän sanoo, että "koska on olemassa sellainen laki kuin gravitaatiolaki, maailmankaikkeus voi syntyä ja syntyy itsestään tyhjästä".
"Ajan lyhyt historia" -kirjassa Hawking piti jumalan olemassaoloa mahdollisena. Vuonna 1992 löydettiin toisesta aurinkokunnasta ensimmäinen tähteä kiertävä planeetta. Tämä sai Hawkingin tarkistamaan käsitystään. Planeetan löytäminen osoitti Hawkingille, ettei ihmisten aurinkokunta ole kaikkeudessa keskeisessä asemassa. Kaikkeutta ei ole luotu vain palvelemaan ihmistä.
Hawking tunnetaan varsinkin tutkijapiirien ulkopuolella myös useista vedonlyönneistään. Tunnetuimmat vedonlyönnit käsittelevät mustia aukkoja, ja osapuolina niissä ovat pääosin Hawking itse, sekä Kip Thorne ja John Preskill.
Yksi tunnetuimmista Hawkingin vedoista oli vuonna 1975 Kip Thornen kanssa lyöty veto Cygnus X-1 -kohteen luonteesta. Hawking löi vetoa sen puolesta, ettei Cygnus X-1 olisi musta aukko. Hän kuvaili jälkeenpäin vetoaan sanoen, että kyseessä oli ”eräänlainen vakuutus”. Mikäli mustia aukkoja ei olisi olemassa, hänen tutkimuksensa niiden parissa olisivat olleet täysin turhia, mutta toisaalta hän voittaisi silloin automaattisesti vedon. Sen sijaan Cygnus X-1:n varmistuminen mustaksi aukoksi todistaisi niiden olemassaolon, jolloin hän häviäisi mieluusti vedon Thornelle. Vuonna 1990 Hawking tunnusti hävinneensä vedon ja tilasi korvauksena Thornelle "Penthouse"-lehden vuoden ajaksi.
Toinen tunnettu veto lyötiin Hawkingin, Thornen ja Preskillin välillä. Aiheena oli informaation mahdollinen katoaminen mustaan aukkoon. Tässä vedossa Thorne ja Hawking asettuivat samalle kannalle Preskillia vastaan. Vuonna 2004 Hawking tunnusti hävinneensä vedon, mutta Thorne ei yhtynyt hänen tulkintaansa, eikä vedon lopputulosta voida vielä katsoa tieteellisesti vahvistetuksi.
Hawking löi vetoa Thornen ja Preskillin kanssa myös siitä, että "kosminen sensuuri" eli se, ettei singulariteetteja voi nähdä, pätee aina. Hawking hävisi vedon, sillä tutkijat löysivät matemaattisia ratkaisuja, joiden mukaan tietynlainen singulariteetti olisi mahdollista nähdä hyvin kaukaa.
Hawking oli tunnettu julkisuuden hahmo, jota kohtaan tiedotusvälineet osoittivat kiinnostusta. Tieteellisen työn lisäksi myös hänen yksityiselämänsä oli viestimien uutisaiheena. Hänen tiedetään kuitenkin suhtautuneen yksityiselämänsä käsittelyyn kielteisesti. Hawking halusi olla tunnettu ensisijaisesti tutkijana ja tietokirjailijana.
Viihteessä Stephen Hawkingin hahmo on esiintynyt muun muassa "Simpsoneissa", "Futuramassa", "Disaster"-elokuvassa, "Dilbert"-sarjakuvassa sekä "Star Trekissä" holokannen pokerivastustajana. Hawking on lisäksi näytellyt itseään yhdessä jaksossa "Rillit huurussa" -sarjassa vuonna 2012.
Vuonna 2004 BBC tuotti 90 minuuttisen tv-elokuvan "Hawking", jossa pääosaa näytteli Benedict Cumberbatch. Elokuva kertoo Hawkingin nuoruusvuosista, sairastumisesta ja läpimurrosta.
Stephen Hawking puhuu syntetisoidusti "Pink Floyd" -yhtyeen kappaleessa "Keep Talking'" ("The Division Bell" -levyltä, 1994), ja samoin kappaleessa "Talkin' Hawkin" ("The Endless River" -levyltä, 2014). "Manic Street Preachers" -yhtye julkaisi vuonna 2009 kappaleen nimeltä "Me And Stephen Hawking" ("Journal For Plague Lovers" -levyllä).
Hawking on ollut käsikirjoittamassa vuonna 2008 julkaistua "Beyond the Horizon" -elokuvaa. Hän myös esittää itseään samassa elokuvassa.
Vuonna 2014 ensi-iltansa sai James Marshin ohjaama elämäkertaelokuva "Kaiken teoria", joka perustuu Jane Hawkingin muistelmiin "Travelling to Infinity: My Life with Stephen". Elokuva keskittyy heidän suhteeseensa, Stephenin sairastumiseen ja menestykseen fyysikkona. Elokuvassa Stepheniä näyttelee Eddie Redmayne ja Janea Felicity Jones. Stephen Hawking liikuttui nähtyään elokuvan Toronton elokuvajuhlilla ja kutsui elokuvaa pääpiirteittäin todenmukaiseksi.Hawkingin tieteellinen tuotanto käsittää yli 150 julkaistua tieteellistä artikkelia, joista monet ovat hyvin maineikkaita teoksia. Erityisen merkittävinä teoksina pidetään muun muassa vuonna 1971 julkaistuja artikkeleita painovoima-aaltojen signaaleista, vuonna 1974 julkaistua artikkelia "Black holes explosions?", ja vuonna 1976 julkaistua artikkelia "Breakdown of predictability in gravitational collapse", joka käsittelee mustan aukon informaatioparadoksia. Viimeiseksi artikkeliksi jäi vuonna 2018 postuumisti julkaistu "A smooth exit from eternal inflation?" Tieteellisten artikkelien lisäksi Hawkingin yli 230 julkaisua sisältävät väitöskirjan (1966), muita tieteellisiä monografioita ja toimitettuja teoksia sekä konferenssiesitelmiä.