Doktorsavhandlingen av världens kanske mest kända levande vetenskapsman, Professor Stephen Hawking, gjordes nyligen allmänt tillgänglig online. Det har visat sig så populärt att kravet på att läsa det enligt uppgift kraschade dess värdwebbplats när det ursprungligen laddades upp.

Men med tanke på ämnets komplexitet – "Properties of Expanding Universes" – och det faktum att Hawkings bok A Brief History of Time också är känd som den mest olästa boken genom tiderna, du kan ha nytta av en sammanfattning av dess huvudresultat.

Avhandlingen täcker flera ämnen, inklusive nyligen upptäckt gravitationsstrålning, men det sista kapitlet är den del som många fysiker anser vara mest betydelsefull. Den handlar om själva universums födelse, och har helt enkelt titeln "Singularities".

Skapelsesteorier

Den största bedriften med Hawkings avhandling var att effektivt visa att Big Bang-teorin om hur universum började från en enda punkt var fysiskt möjlig. Det var inte bara en matematisk olägenhet som sprang ut ur de ekvationer fysiker hade utvecklat för att beskriva den möjliga utvecklingen av kosmos.

Konceptet att universum startade för en begränsad tid sedan i en Big Bang är nu ett vedertaget vetenskapligt faktum, och ändå är det en häpnadsväckande idé. Föreställ dig:all materia i din kropp var en gång – i en eller annan form – komprimerad till samma lilla volym som den mest avlägsna galaxen och allt däremellan. För cirka 14 miljarder år sedan, denna punkt expanderade snabbt för att skapa rum och tid. Den fortsätter att expandera idag.

Vid tiden för Hawkings doktorsexamen på 1960-talet, forskare tvistade fortfarande om idén. Ett populärt alternativ till Big Bang var Steady State-modellen. Förespråkare av Steady State-modellen var obekväma med ett universum av ändlig ålder som började på detta sätt. Faktiskt, monikern "Big Bang" myntades som en hånfull term av Steady State-mästaren Fred Hoyle. För att förstå hur Hawking visade att det verkligen var möjligt, vi behöver lite bakgrundsfysik.

Rumtid och singulariteter

I början av 1900-talet, Albert Einstein revolutionerade vår förståelse av gravitation genom sin allmänna relativitetsteori. Einstein visade att vi kunde tänka på gravitationen som rumtidens krökning, orsakas av närvaron av massa eller energi.

Rymdtid är ett sätt att tänka på universums ramverk som kombinerar tredimensionell rymd och endimensionell tid. Alla objekt existerar och alla händelser sker någonstans i rymdtiden. Men det är svårt för de flesta att föreställa sig eftersom, även om vi kan röra oss fritt i tredimensionellt rum, vi kan inte resa vart vi vill genom tiden. Det är lite som att vara en insekt instängd på ytan av en damm. Den kan bara röra sig i två dimensioner, trots att det finns en annan rumslig dimension att utforska.

Allmän relativitetsteori uttrycker hur rum och tid är sammanlänkade. I sin teori, Einstein beskrev elegant hur krökningen av rumstid är relaterad till densiteten av massa och energi i sina "fältekvationer".

Efter att dessa ekvationer publicerats, andra forskare använde dem för att utforska vad som händer med rumtiden i olika fysiska situationer. När det gäller föremål där all materia är koncentrerad till en enda punkt, fältekvationerna förutsäger något ovanligt:​​rumtidens krökning blir så extrem att inte ens ljus kan fly. Idag vet vi att dessa objekt faktiskt existerar som svarta hål, och vi har sedan dess hittat bevis för dem i rymden.

Dessa situationer där lösningarna till ekvationerna blir oändliga kallas "singulariteter". Hawkings sista avhandlingskapitel utforskade denna idé om singulariteter, inte för rumtiden runt svarta hål, men för hela universum.

Från svarta hål till Big Bang

Inom kosmologi, en central grundsats är att rymden måste, i genomsnitt, vara homogen och isotrop. Med andra ord, i stor skala, innehållet i universum måste vara ganska jämnt fördelat och se likadant ut åt alla håll.

Den enklaste lösningen på Einsteins fältekvationer som uppfyller dessa villkor kallas "Robertson-Walker-metriken", uppkallad efter de forskare som var involverade i dess utveckling. Metriken är helt enkelt termen vi använder för att beskriva intervallet mellan två händelser i rymdtiden.

Viktigt, Robertson-Walker-lösningen tillåter att den rumsliga delen av metriken förändras med tiden. Det betyder att det kan beskriva ett universum där själva rymden expanderar. Edwin Hubble hittade bevis för att universum verkligen expanderar på 1920-talet genom att visa att andra galaxer rör sig ifrån oss.

Robertson-Walkers metriska och fältekvationer tillåter oss att beskriva denna expansion i termer av vad kosmologer kallar "skalfaktorn", beskriver hur mycket utrymme som har utökats eller minskat mellan en viss tidpunkt och nutiden.

Om universum expanderar, det borde ha varit mindre och tätare tidigare. Kör klockan tillbaka tillräckligt långt och skalfaktorn ska gå till noll. All materia och energi i universum måste ha funnits i en enda punkt med oändlig täthet:en kosmologisk singularitet. Detta är grunden för Big Bang-modellen, lite som ett svart hål omvänt.

Att skrota steady state

Steady State-modellen försökte eliminera den kosmologiska singulariteten, vilket många menade inte var rimligt. Singulariteter sågs som brister i förutsägelserna om allmän relativitet och inte i linje med fysikens kända lagar.

I Steady State-modellen, universum är evigt och har ingen början alls. Dess skenbara expansion kan förklaras genom att lägga till ett "skapande fält" eller C-fält till Einsteins ekvationer, vilket skulle innebära att materia kontinuerligt skapas i utrymmet mellan galaxerna när de rör sig isär.

Men i det sista kapitlet av sin doktorsavhandling, Hawking hävdade att idén om ett C-fält kom med sin egen uppsättning problem och att den rätta modellen involverade Robertson-Walker-lösningen som beskrev en initial singularitet.

Vad han gjorde sedan var vad många anser banbrytande. Bygger på den brittiske fysikern Roger Penroses arbete, Hawking bevisade matematiskt att singulariteter inte var en brist i teorin utan förväntade egenskaper hos naturen. Han visade effektivt att allmän relativitet möjliggjorde ett universum som började i en singularitet.

Ett halvt sekel senare, observationsbevisen för Big Bang-scenariot är överväldigande och Steady State-modellen har länge övergivits. Hawking har gjort ytterligare monumentala bidrag till kosmologi och teoretisk fysik. Att läsa Hawkings avhandling är en inblick i ett exceptionellt kreativt sinne – och de första stegen av upptäckt i vad som har varit en anmärkningsvärd vetenskaplig resa.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.