Stephen Hawking: de meester van het universum

Tot het belangrijkste wetenschappelijk werk van Stephen Hawking behoort een samenwerking met Roger Penrose over gravitatie-singulariteiten in het kader van de algemene relativiteitstheorie en de theoretische voorspelling dat zwarte gaten een straling uitstoten, die vaak de Hawkingstraling genoemd wordt. 

Hij was de eerste om een kosmologisch model voor te stellen waarin de algemene relativiteitstheorie gekoppeld werd aan de quantummechanica en hij was een overtuigd aanhanger van de vele-werelden-interpretatie van de quantummechanica.

Stephen William Hawking wordt geboren in Oxford op 8 januari 1942. Dat is dag op dag 300 jaar na de sterfdatum van de Italiaanse astronoom en geleerde Galileo Galilei, zoals zijn eigen website niet nalaat te vermelden. Als kind bedenkt hij ingewikkelde bordspelen, die hij dan met zijn vrienden speelt, en hij raakt al vroeg geïnteresseerd in wiskunde en natuurkunde.

In het begin van zijn universitaire studies voelt hij zich alleen en verveelt hij zich, omdat het academisch werk "belachelijk gemakkelijk" is. Naar eigen zeggen studeerde hij tijdens zijn drie jaar in Oxford maar zo'n 1.000 uren in totaal en zijn eindexamen is dan ook een dubbeltje op zijn kant omdat hij alleen de theoretische vragen beantwoord had. Een mondeling examen moet uitsluitsel geven of hij de hoogste graad zou halen, zodat hij naar Cambridge kan.

Hoewel Hawking er niet gerust in is, krijgt hij zijn hoogste onderscheiding omdat zoals een van de examinatoren later zou zeggen: "De examinatoren intelligent genoeg waren om te beseffen dat ze met iemand aan het praten waren die veel slimmer was dan de meesten van hen". Zodoende kan Hawking dus naar Cambridge en in oktober 1962 begint hij daar zijn doctoraatsstudies kosmologie.

Tijdens zijn laatste jaar in Oxford had Hawking al last gehad met zijn
gezondheid: hij was onhandig, had problemen bij het roeien en kwam een paar keer onverklaarbaar ten val. In Cambridge worden die problemen erger en hij krijgt moeilijkheden bij het spreken.

Na een uitgebreid medisch onderzoek krijgt hij op zijn 21e te horen dat hij een vorm van ALS heeft, amyotrofe laterale sclerose, een tamelijk zeldzame, ongeneeslijke neurologische ziekte waarbij de motorische zenuwcellen in het ruggenmerg, de hersenstam en de motorische schors van de hersenen afsterven. Daardoor ontstaat progressief krachtsverlies en verlamming, wat uiteindelijk tot de dood van de patiënt door verlamming van de ademhalingsspieren leidt. De dokters geven hem op dat ogenblik nog zo'n twee jaar te leven.

Na zijn diagnose zinkt Hawking weg in een depressie en ziet hij de zin van voort studeren niet in. Zijn relatie met Jane Wilde (foto boven), een vriendin van zijn zuster die hij kort voor de diagnose ontmoet had, wordt zijn redding. Het koppel verlooft zich in in oktober 1964 en Hawking zal later zeggen dat die verloving "hem iets gaf om voor te leven" en ondanks zijn slechter wordende gezondheid stort hij zich opnieuw vol enthousiasme op zijn werk.

Geïnspireerd door de theorie van Roger Penrose dat er een singulariteit - een bijzondere gebeurtenis waarvoor de geldende natuurkundige wetten geen verklaring bieden - in het centrum van een zwart gat zit, past Hawking die gedachtegang toe op het hele universum en schrijft daar in 1965 zijn thesis over. Nog in dat jaar krijgt hij een onderzoeksbeurs, waardoor hij kan trouwen met Jane Wilde. In maart 1966 haalt hij zijn doctoraat en zijn thesis wint meteen een belangrijke prijs.   

In de eerste jaren van zijn huwelijk werkt Hawking de singulariteiten-theorie verder uit en samen met Robert Penrose stelt hij dat het universum mogelijk zelf als een singulariteit begonnen is. In 1970 publiceren ze een bewijs dat als het universum gehoorzaamt aan de algemene relativiteitstheorie, en als het een van de modellen van de fysische kosmologie van Alexander Friedmann volgt, dat het dan als een singulariteit begonnen moet zijn.

Op het einde van de jaren 60 gaat de lichamelijke toestand van Hawking er voort op achteruit: hij moet krukken gebruiken en stopt met regelmatig lezingen te geven. Hij verliest ook de mogelijkheid om te schrijven, en ontwikkelt als compensatie visuele denkpatronen, waarbij hij vergelijkingen in geometrische termen ziet. De natuurkundige Werner Israel zal daar later over zeggen dat het gelijk staat met Mozart die een hele symfonie in zijn hoofd bedenkt.

Hawking is echter erg gesteld op zijn onafhankelijkheid en niet bereid om hulp te aanvaarden of toegevingen te doen aan zijn belemmeringen. Het vraagt heel wat overtuigingskracht om hem ertoe te brengen een rolstoel te gebruiken, maar op het einde van de jaren 60 geeft hij daarin toe. Uiteindelijk zal hij berucht worden voor zijn wilde rijstijl met zijn rolstoel.

In 1970 krijgt het koppel een tweede kind, Lucy, in 1967 was hun zoon Robert al geboren, en in dat jaar gaat Hawking zich toeleggen op zwarte gaten. Hij ontdekt eerst "de tweede wet van de dynamica van zwarte gaten", namelijk dat de waarnemingshorizon van een zwart gat niet kleiner kan worden, maar later blijkt uit werk van Russische geleerden dat roterende zwarte gaten deeltjes uitstoten.

Tot ergernis van Hawking spreekt dat zijn tweede wet tegen en in 1974 publiceert hij bevindingen, waaruit blijkt dat zwarte gaten inderdaad een straling uitstoten, die nu bekend staat als Hawking-straling, en dat dat proces voortgaat tot het zwarte gat zijn energie uitgeput heeft en in het niets verdwijnt.

Vanaf 1973 gaat Hawking zich ook meer toeleggen op quantumzwaartekracht en quantummechanica. De publieke belangstelling in zwarte gaten neemt in de tweede helft van de jaren 70 flink toe en Hawking wordt regelmatig geïnterviewd. Ook de academische wereld begint zijn werk te erkennen en hij krijgt talloze prijzen, medailles en zijn eerste eredoctoraat. In 1979 krijgt het gezin Hawking hun derde en laatste kind, Timothy.

Nog eind de jaren 70 wordt Hawking, die al sinds 1975 lector in de zwaartekrachtfysica is aan de universiteit van Cambridge, verkozen tot "Lucasian professor of mathematics" aan diezelfde universiteit. Dat is een van de meest prestigieuze academische posities ter wereld, Isaac Newton zelf bezette ooit de leerstoel, en Hawking behoudt ze tot 2009, als de universiteit hem vraagt terug te treden omdat hij dat jaar 67 is geworden.

Intussen gaat Hawkings spraakvermogen er voort op achteruit, en tegen het begin van de jaren 80 kunnen alleen mensen die hem goed kennen, hem nog verstaan. Om met anderen te communiceren, "vertaalt" een van die bekenden zijn uitspraken in verstaanbare taal. Hawking en zijn vrouw beginnen ook campagne te voeren voor een betere toegankelijkheid van de universiteit van Cambridge, en meer mogelijkheden voor mensen met een beperking, daartoe aangezet door een dispuut over wie er moet betalen voor een rolstoelhelling naar zijn werkplek.

Hawking bleef echter tegenstrijdige gevoelens koesteren over zijn rol als voorvechter van de rechten van personen met een beperking: hij wil wel anderen helpen, maar zelf probeert hij zich zoveel mogelijk los te maken van zijn ziekte en beperkingen. Na een nieuwe achteruitgang van zijn gezondheid in 1979, stemt hij schoorvoetend in met een verpleegdienst bij hem thuis.

Die crisis in zijn gezondheid valt ook samen met een verandering in zijn benadering van de natuurkunde. Hij gaat voortaan intuïtiever te werk en is meer geneigd om te speculeren in plaats van uit te gaan van, en vast te houden aan bewijzen. "Ik wil liever juist zijn dan onbuigzaam", zegt hij er zelf over.

In het begin van de jaren 80 zijn heel wat natuurkundigen in de ban van "kosmische inflatie", een theorie van Alan Guth die stelde dat het universum na de Big Bang ongelooflijk snel uitgezet was, waarna het teruggevallen is op een tragere expansie, die nog steeds voortduurt. Ook Hawking legt zich er op toe, en in 1981 brengt hij op een conferentie in het Vaticaan werk naar voren dat suggereert dat het universum geen grenzen heeft, en geen begin of einde.

Hij werkt dat idee verder uit met Jim Hartle, en in 1983 publiceren ze een model van het universum dat de "Hartle-Hawking state" genoemd wordt. In dat model wordt gesteld dat tijd niet bestond voor de oerknal, en dat het concept van het begin van het universum betekenisloos is.

Het model vervangt ook de singulariteit van de oerknal door een no-boundary voorstel, een gebied zoals de noordpool, waar je niet verder naar het noorden kan, ook al zijn er geen grenzen die dat beletten. In dat model was het heelal oorspronkelijk ook gesloten, later blijkt dat het ook compatibel is met een open universum.

Daarna richt hij zijn aandacht op de pijl van de tijd en in 1985 publiceert hij een onderzoek waarin hij stelt dat als het no-boundary model correct is en het universum gesloten, dat de tijd dan achterstevoren zal gaan lopen eens het universum stopt met uitdijen en opnieuw begint samen te trekken. Studies en berekeningen door andere natuurkundigen brengen hem er later toe die stelling in te trekken.  

Ondertussen blijft Hawking onderscheidingen ontvangen: zo krijgt hij in 1981 de Amerikaanse Franklin Medal en in 1982 wordt hij Commander of the Order of the British Empire.

Met onderscheidingen kan je echter geen rekeningen betalen, en onder druk van de kosten voor de scholen voor zijn kinderen, besluit Hawking in 1982 een boek te schrijven over het universum, dat aan zou slaan bij het grote publiek. Hij ging daarvoor scheep met de commerciële uitgeverij Bantam Books en niet met een academische uitgever, en hij kreeg meteen een groot voorschot.

Een eerste versie van het boek, "A brief history of time" is klaar in 1984, maar zijn uitgever bij Bantam dringt er op aan dat alle ideeën in het boek duidelijk gemaakt worden in niet technische taal. Dat vraagt vele revisies van Hawking, die daar meer en meer geïrriteerd door raakt.  

In 1985 loopt Hawking tijdens een bezoek aan het CERN in Genève een longontsteking op, in zijn toestand een levensbedreigende ziekte. Hij is er op een bepaald ogenblik zo slecht aan toe, dat de dokters aan zijn vrouw Jane vragen of ze de beademingsmachine wil uitzetten. Jane weigert, maar dat betekent dat Hawking een tracheotomie moet ondergaan, een snede in zijn luchtpijp. Het gevolg daarvan is dat hij de klok rond verzorging zal nodig hebben, en dat hij het weinige wat nog overblijft van zijn stem zal kwijtraken.

Voor de verzorging worden per dag drie verpleegsters aangetrokken, onder wie ook Elaine Mason, die later zijn vrouw zal worden, en om te communiceren trekt Hawking oorspronkelijk zijn wenkbrauwen op naar een kaart met het alfabet. In 1986 krijgt hij echter een computerprogramma dat hem toelaat met een simpele druk op een knop zinnen, woorden en letters te selecteren uit een gegevensbank met een 3.000-tal items. Hij heeft nu geen bekenden meer nodig om zijn zeer onduidelijke uitspraken te vertalen naar andere mensen en hij zegt er zelf van: "Ik kan nu beter communiceren dan voor ik mijn stem verloren had".

De stem die hij gebruikt, heeft een Amerikaans accent en wordt niet langer geproduceerd. Ondanks de beschikbaarheid van andere stemmen, heeft Hawking zijn eerste, oorspronkelijk stem behouden omdat hij die verkiest en zich er mee identificeert.

Hawking blijft erg actief en geeft wereldwijd lezingen. Hij duikt ook op in populaire tv-programma's zoals "The Simpsons", "The big bang theory" en "Star Trek". Begin deze maand zei hij nog in een interview met zijn collega Neil deGrasse Tyson dat tijd voor de Big Bang "imaginaire tijd" was, wat niet gelijk staat aan denkbeeldige tijd, maar een wiskundig concept is.

UIteindelijk is de ziekte waarmee hij veel langer geleefd heeft dan de dokters ooit gedacht hadden, hem dan toch fataal geworden. "Ik heb vijf decennia langer geleefd dan de dokters me voorspeld hebben", zei hij daar in 2013 over. "Ik heb geprobeerd om nuttig gebruik te maken van mijn tijd. Aangezien elke dag mijn laatste kan zijn, heb ik het verlangen om uit elke minuut het beste te halen."

Over de dood zelf had hij een nuchtere theorie: "Ik zie ons brein als een computer die zal stoppen met werken als componenten falen. Er is geen hemel of hiernamaals voor kapotte computers: dat is een sprookje verzonnen voor mensen die bang zijn in het donker."