Stephen Hawking
Tutkimustyö > Mustat aukot ja singulariteetit

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.lähde?
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.lähde?
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.lähde?
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.lähde?
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.lähde?