Stephen Hawking ja tema panus füüsikasse (0)

Tallinna Laagna Gümnaasium 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Stephen   Hawking 'i panus füüsikasse 
 
referaat 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Koostaja : Stella Kruusimäe 
10. klass 
Juhendaja : Marko Häelm 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2015 
SISUKORD 
 
 
SISUKORD .......................................................................................................................................... 2 
SISSEJUHATUS .................................................................................................................................. 3 
KES ON STEPHEN HAWKING? ....................................................................................................... 4 
ÜLDRELATIIVSUSTEOORIA........................................................................................................... 5 
SUURE PAUGU TEOORIA ................................................................................................................ 6 
MUSTAD AUGUD .............................................................................................................................. 7 
AJARÄND ........................................................................................................................................... 8 
KOKKUVÕTE..................................................................................................................................... 9 
LISAD ................................................................................................................................................ 10 
KASUTATUD KIRJANDUS ............................................................................................................. 11 
 
2 
 
 
SISSEJUHATUS 
 
 
  Kuidas  tekkis  maailm?  Mis  peitub  taevas?   Universum   on  tohutult  suur  ja  täis  saladusi.  Ükski 
inimene ei saa iialgi Universumist kõike teada aga see ei takista mind seda lähemalt uurimast. 
  Valisin  oma  referaadi  teemaks  Stephen  Hawking’i  ja  tema  panuse  füüsikasse,  sest  füüsika  ja 
Universum on mind alati huvitanud ja leian, et minu valitud teema katab seda ala väga hästi. Olen ka 
varem oma lõbuks lugenud artikleid ja raamatuid Hawkingi kohta aga  seekord võtsin asja tõsisemalt 
ette. Otsustasin enne referaadi kirjutamist uurida rohkem Stephen Hawking’i elu ja karjääri kohta. 
Lugesin   läbi  päris  mitu  raamatut,  kas  siis  tema  enda  poolt  kirjutatud  või  temast  kirjutatud,  mis 
kajastasid tema elukäiku, näiteks „Juhatus Stephen Hawking’i juurde“ ja „Minu lühiajalugu“. 
  Selles referaadis käsitlen ma Stephen Hawking’i uurimusi Üldrelatiivsusteooria,  mustade  aukude, 
Suure Paugu teooria ja ajarände kohta. 
  Selle  referaadiga  tahan ma nii endale kui ka teistele inimestele tutvustada hiilgavat teadlast Stephen 
Hawking’it ja seda hiigelsuurt Universumi, kus me elame. 
3 
 
 
KES ON STEPHEN HAWKING? 
 
 
  Stephen  Hawking  on   maailmakuulus    füüsik ,  kuid  avalikkus  teab  vähe  sellest,  mida  ta  on  korda 
saatnud.  Teda  ümbritseb  pigem  traagiline   oreool   –  suurepärane   teadlane ,  särava   bestselleri   „Aja 
lühilugu ” autor, samas aheldatud  ratastooli  ning ilma jäänud võimest rääkida ja kirjutada. Ta on ka 
ise   öelnud ,  et  põhjus  miks  teda  nii  hästi  tuntakse  on  see,  et  inimesi  lummab,  millise  kontrasti 
moodustavad  tema  väga  piiratud  kehaline  jõud  ja  selle  universumi  määratu  olemus,  millega  ta 
tegeleb.( McEvoy , Zarate, 2002)  
  Stephen  William  Hawking  sündis  8.  jaanuaril  1942.  aastal  Suurbritannias  Oxfordis.  Ta  on  Briti 
teoreetiline  füüsik  ja  matemaatik  ja  teda  peetakse  üheks  kõige  hiilgavamaks  füüsikateoreetikuks 
pärast Einsteini. Stephen on saanud Oxfordi ülikoolist Bakalauruse kraadi ja peale Oxfordi läks ta 
edasi õppima  Cambridge 'i ülikooli teoreetilist astronoomiat ja kosmoloogiat. Peale seda kui Stephen 
21-aastasena  Cambridge’is  füüsikadoktorantuuri  alustas, 
diagnoositi  tal  amüotroofiline 
lateroskleroos  –   motoorne   närvihaigus,  mis  ründab  tahtlikke  liigutusi  kontrollivaid  närve.  See  on 
ravimatu  haigus ja arstide arvates jäi tal elada veel paar aastat. Hawking jäi ellu - paljude arvates tänu 
oma vaimsele maailmale. Haigestumise momendiks oli ta parasjagu  relatiivsusteooria  selgeks saanud 
ja see pööraselt huvitav  valdkond  ei andnud aega suremiseks.  Kolmekümneselt  kaotas ta lõplikult 
liikumisvõime(suudab tahtlikult liigutada vaid vasaku käe paari sõrme), neljakümneselt kõnevõime. 
Ja  ometi  on  ta  tegutsev   professor ,  kes  kirjutab  artikleid,  peab  loenguid,  esineb  konverentsidel. 
Tänapäeva tehnika teeb selle võimalikuks, kui vaid inimesel tahet jätkub.(Bio, 2015) 
  Vaatamata oma haigusele on Stephen füüsikasse väga palju panustanud. Hawking ei ole imearvutaja 
nagu paljud tänapäeva füüsikateoreetikud. Tema mudelid põhinevad lihtsatel ning loogilistel lähte-
eeldustel ja viivad üllatavate tulemusteni. Ta omandas põhjalikult kaks 20. sajandi suurt teooriat – 
üldrelatiivsusteooria ja kvantmehaanika  – ning tegi olulisi avastusi seal, kus nad lakkavad toimimast 
või kattuvad, näiteks musta augu piiril ja Universumi alguse Suure Paugu puhul. Hawkingi uuringud 
on esileküündivad ning on oluliselt mõjutanud paljusid teisi teadlasi.(McEvoy, Zarate, 2002) 
   Hawking külastab  paljusid  teisi  maid  ja  peab  loenguid.  Pikk  nimekiri  maailma  kõige 
prestiižikamate  teadusasutuste  stipendiumidest,  auhindadest,  medalitest  ja  audoktori  tiitlitest  on 
tunnustuseks tema intellektuaalse panuse eest inimkonna hüveks.(sciencegraph.net, 2014) 
 
4 
 
ÜLDRELATIIVSUSTEOORIA 
 
  Stephen  Hawkingit  kutsutakse  relativistlikuks  kosmoloogiks.  See  tähendab,  et  ta  käsitleb 
maailmaruumi  tervikuna  ja  kasutab  selleks  peamiselt  relatiivusteooriat.  Hawking  on  oma 
füüsikateoreetiku karjääri jooksul(1960-ndate aastate algusest kuni 1990-ndate aastate keskpaigani) 
tegelenud Einsteini relatiivsusteooriaga. 
   Kosmoloogia  on teadus maailmaruumist tervikuna, mis põhineb suures osas julgetele, mastaapsetele, 
hüpoteesidele.   Gravitatsioon   määrab  universumi  suuremastaabilise  struktuuri.  Lihtsamalt  öeldes  – 
gravitatsioon  hoiab  planeete,  tähti  ja  galaktikaid  koos.  Seega  on  gravitatsioon  kõige  olulisemaks 
mõisteks kosmoloogia vallas töötajatele. Veel   hiljuti   peeti kosmoloogiat pseudoteaduseks, millega 
sobis tegeleda vaid aktiivsest teadustööst tagasitõmbunud emeriitprofessoritel. Kuid viimase kolme 
aastakümne  jooksul,  mis  langeb  ajaliselt  enam-vähem  kokku  Hawkingi  teadusliku  karjääriga,  on 
kosmoloogias toimunud murrang kahes suunas: 
*  Esiteks  põhjalik  läbimurre  vaatlusastronoomias,  sest  nüüd  ulatub  pilk  kõige  kaugemate 
galaktikateni ja see võimaldab kontrollida kosmoloogiliste mudelite paikapidavust Universumis. 
*  Teiseks,  Einsteini  üldrelatiivsusteooria  on  leidnud  üha  uusi  kinnitusi,  osutudes  täpseks  ja 
usaldusväärseks gravitatsiooniteooriaks kogu Universumi ulatuses. 
  Siinkohal  tasub  meenutada,  et  füüsika  on  kumulatiivne  teadus,  kus  uued  teooriad  toetuvad 
eelnevatele. Need seisukohad, mis peavad vastu eksperimentaalsele kontrollile, jäävad alles, need, 
mis  ei  pea,  heidetakse  kõrvale.  Seame  endale  siinkohal  põhieesmärgiks  mõista  Einsteini 
gravitatsiooniteooriale  toetunud  Hawkingi  panust  teadusliku  maailmapildi  arengus.  Siinkohal  on 
oluline  allteooria  mõiste.  Näiteks  Newtoni  gravitatsiooniseadus  on  väga  täpne,  kui   raskusjõud   on 
väike.  Aga  tugevates  gravitatsiooniväljades  tuleb  selle  asemel  võtta  kasutusele  Einsteini 
üldrelatiivsusteooria. Analoogiliselt – kui uuritakse vastastikmõjusid mikroskoopilistes struktuurides, 
näiteks Suure Paugu singulaarsus või musta augu servad ja keskkoht, tuleb relatiivsusteooria asemel 
appi  võtta  kvantmehaanika.  Hawking  on  leidnud  üldist  tunnustust  teoreetikuna,  kelle  panus 
üldrelatiivsusteooria  ühendamisesse  kvantmehaanikaga  on  kõige  suurem.  Tulemuseks  on 
kvantgravitatsiooniteooria, mida on ebaõnnestunult nimetatud ka kõiksuse teooriaks.(McEvoy, Zarate, 
2002) 
 
5 
 
SUURE PAUGU TEOORIA 
 
  Varastel 1960ndatel aastatel oli kosmoloogia ees suur küsimus, kas universumil oli algus või mitte. 
Paljud teadlased olid  vaistlikult  selle idee vastu ja eitasid selle tõttu ka Suure Paugu teooriat, sest nad 
tundsid, et loomisest räägitakse seal,  kus teadus on pankrotis. See oleks pöördumine religiooni ja 
Jumala kui universumi looja poole.(Stephen W. Hawking, 2013) 
  Nüüd on Suure Paugu teooria omaks võetud enamuste teadlaste poolt. See teooria väidab, et suur 
kogus  eimidagi  otsustas  end  tihedalt  kokku   pakkida   ja  siis  plahvatada  väljapoole  vesinikuks  ja 
heeliumiks. Öeldakse, et see  gaas voolas väljapoole läbi hõõrdumiseta ruumi, et lõpuks moodustusid 
tähed, galaktikad, planeedid ja kuud.(Vance Ferrel, 2001) 
  Stephen Hawking tõestas aastal 1970, et Einsteini üldrelatiivsusteooria põhjal pidi universumi aine 
ja energia ühel hetkel olema koondunud ühteainsasse puntki – singulaarsusesse. 1970-ndate aastate 
lõpul  mõistis  Hawking, et üldrelatiivsusteooria ei toimi Suure Paugu hetkel määramatuse printsiibi 
tõttu. Ta asus uurima , kuidas ühendada üldrelatiivsusteooriat ja kvantmehaanikat. 
  Oma ettekandes väitis Hawking, et ruum ja aeg on ulatuselt lõplikud, kuid suletud ilma piiride ja 
servadeta.  See  sai   tuntuks   kui   piirideta   universumi  mudel.  Kui  see  teooria  on  õige  siis  ei  esine 
singulaarsust ja teaduslikud seadused kehtivad kõikjal, kaasa arvatud universumi alguses.  
  Üldrelatiivsusteooria kirjeldab Universumi Suure Paugu mudelit usaldusväärselt  ajavahemikus , mis 
algas pärast hetke t=0 ja kestab praeguseni.  Ometi teame tänu Hawkingile, et algushetkeks annab 
relatiivsusteooria  singulaarsuse  ja  teooria   variseb   kokku.  See  on  klassikaline  teooria  ning  aega  ja 
ruumi ei saa Einsteini võrrandite abil kirjeldada, kui  mateeria  on sellise uskumatu tiheduseni kokku 
surutud.  Kuidas  saavad   füüsikud   käsitleda  Universumi  algust,  kui  kõik  seadused   kaotavad   Suure 
Paugu korral kehtivuse? Peab kasutama kvantteooriat. 
  Selle küsimuse kallale asudes püüdsid Hawking ja tema kaastöötaja Jim Hartle California Ülikoolist 
arendada piirideta universumi mudelit edasi  kvantkosmoloogias. Erinevale eelnevatest  katsetustest 
kasutasid  Hawking ja Hartle(edaspidi H&H) Suure Paugu singulaarsuse käsitlemisel  imaginaaraja 
mõistet.  Järgneb  nende  mõttekäigu  kirjeldus.  Tekkimisel  on  kogu  Universum  ühes  kvantolekus. 
Niisiis  käsitlevad  H&H  Universumit  kui  üksikut  kvantsüsteemi  ja  püüavad  määrata  selle 
lainefunktsiooni.  Teiste  sõnadega  nad  rakendavad  standartseid  kvantmehaanika  printsiipe  kogu 
Universumi kohta „enne“, kui Suur Pauk käib. 
  Kõnesolevate  uuringute  eesmärgiks  on  luua  gravitatsiooni   kvantteooria   ehk  kõike  hõlmav 
ühendteooria – termin, mis on  ärritav  enamikule füüsikutest. Osade füüsikute ja relativistide senised 
püüdlused seda luua on andnud vähe tulemusi. Nagu ikka lähenes Hawking probleemile teisiti. Ta 
otsis Universumi lainefunktsiooni mitte kvantgravitatsiooni vaid oma kvantkosmoloogia kaudu, mis 
on ajatud piirideta Universumi mudelile.(McEvoy, Zarate, 2002) 
6 
 
MUSTAD AUGUD 
 
  Kuuekümnendate  aastate  lõpul  rääkisid  kõik  gravitatsiooniliselt  kollabureeruvatest  tähtedest. 
Osaliselt  kokkuvarisenud  tähed  –  valged  kääbused  ja  neutrontähed  –  olid  saanud  astronoomide 
igapäevaseks  objektiks . 1969. aastal New  Yorgis  toimunud kosmosefüüsikute kokkusaamisel nimetas 
John Wheeler massiivseid täielikult kollabeeruvad tähti mustadeks aukudeks.(McEvoy, Zarate, 2002) 
  Musta  augu  nime  all  mõtlevad  füüsikud  sellist  objekti,  kust  ei  saa  miski  pageda,  kuna  paokiirus 
ületab valguse kiiruse. Et miski ei saa valgusest kiiremini  liikuda , siis ei pääse ka miski  mustast  august 
välja. Must auk võib tekkida mis tahes ainest, kui seda on piisavalt palju, vähemalt kahe meie Päikese 
jagu.  Siis  hakkab  täht  üha  kokku  tõmbuma,  kuni  selle  tihedus  saab  nõnda  suureks,  et  sulgub 
iseendasse. Aeg jõuab lõpule. 
  Hawking  musta   auku   välja  ei  mõelnud.  Selle  peale  tuli  juba  1783.  aastal  Inglise  teadlane  John 
Mitchell . Kuid tema lähtus Newtoni füüsikast, milles aeg on absoluutne ja jätkub peatumatult, mis ka 
ei  juhtuks.   Klassikalises   füüsikas  mustad  augud  tuleviku  ennustamise  võimalust  ei  puudutanud. 
Hoopis teine olukord on üldrelatiivsusteoorias. Kui  mustas  augus sisalduv info läheb kaotsi, ei saa 
me enam teada, mis juhtus minevikus.(Tiit Kändler, 2006) 
  Stepahen Hawking väidab, et ainuüksi Linnutee galaktikas on tuhandeid ja tuhandeid  musti   auke . 
Kuid seni, kui ühel heal päeval õnnestub näha mõnda tuntud tähte kaduvat, tuleb leppida kaudsete 
meetoditega  –  näiteks   kaksiktähe   vaatlusega,  millest  üks   komponent   on  nähtav  ning  teine 
nähtamatu.(McEvoy, Zarate, 2002) 
  Stepheni töö mustade aukude kohta algas 1970. aastal, mõni päev pärast ta tütre  Lucy  sündi. Stephen 
oli  parajasti  magama minemas, kui järsku taipas, et saab rakendada mustadele aukudele pühjusliku 
struktuuri teoorita. Täpsemalt öeldes horisondipind ehk musta augu piir kasvab alati. Kui kaks musta 
auku  põrkuvad  ja  ühinevad,  siis  tulemusena  saadud  musta  augu  pindala  on  suurem  kui   algsete  
mustade  aukude  pindala  summa.  See  ja  teised  omadused  vihjavad  sellele,  et  see  pindala  on  nagu 
musta augu  entroopia . Tegelikult ei saa see pindala olla entroopia, sest kui  mustadel  aukudel oleks 
entroopia, siis oleks neil ka temperatuur ja nad helendaksid nagu kuum keha. Sest kõik ju mõtlesid, 
et mustad augud on täiesti mustad ega kiirga valgust. 
  Enamiku musta augu põhiprobleeme jahendas Hawking Les Houches’ suvekoolis 1972. aastal. Muu 
hulgas tõestas ta koos David Robinsoniga no-hair teoreemi, mis ütleb, et must auk võib jääda olekusse, 
mida iseloomustavad ainult kaks arvu – mass ja pöörlemine.(Stephen W. Hawking, 2013) 
  Üks tema kuulsamaid  teooriaid  pärineb 1973. aastast ja käsitleb mustade aukude teket ning kadumist 
Universumis. Nimelt väidab Hawking, et kvantefektid sunnivad musti auke  kiirgama  osakesi. Selle 
tulemusena must auk  aurustub , nii et algsest massist ei jää järele mitte kui midagi. Ent  moodustumise  
käigus  neelavad  mustad augud hulgaliselt andmeid – auku kukkuvate osakeste omadusi ja seisundeid. 
7 
 
Ja  kuigi  kvantmehaanika  nõuab,  et  informatsioon  peaks  säilima,  kaotab  must  auk  selle  kiirates. 
Hawking väitis, et see kaotus on korvamatu – info lihtsalt haihtub kusagile. “Mustad augud kaotavad 
informatsiooni Universumi meie  piirkonnast ,” ütles Hawking. Must auk on ala, kust pole võimalik 
põgeneda lõpmatusse. “Ja paistab, et mustad augud kaovad lõpuks täielikult, võttes endaga kaasa selle 
informatsiooni, mis neile sisse kukkus.” 
   Hawking,  kes  40  aastat  tagasi  lõi  musta  augu  teooria,   tunnistas   10  aastat  tagasi  pärast  pikka 
mõttetööd üles, et ta eksis. Must auk ei olegi nii must ja halastamatu, kui ta alul arvas ja  ikkagi annab 
välja mingit informatsiooni.(Tiit Kändler, 2006)  
 
 
 
AJARÄND 
 
 
  Esimese  teadusliku  kirjelduse  ja  kohta  andis  1689.  aastal  Sir   Isaac   Newton,  kes  pidas  Lucase 
õppetooli, mis on nüüs Stephen Hawkingivalduses. Newtoni  teoorias  oli aeg  absoluut , mis läheb edasi 
järelejätmatult. Seal ei olnud tagasipöördumist ega saabumist varasemasse ajastusse. Olukord muutus, 
kui  Einstein  formuleeris oma üldrelatiivsusteooria, kus  aegruum  oli kõver ja universumis asuva aine 
ning energia poolt moonutatud. Aeg kasvab lokaalselt ikkagi, kud nüüd on võimalik, et aegruum võib 
nii palju väänduda, et saab liikuda mööda rada, mis viib tagasi algusesse .  
  Üks  võimalus,  mis  seda  lubaks,  oleksid   ussiaugud ,   hüpoteetilised   aegruumi  torud,  mis  võivad 
ühendada aegruumi eri piirkondi. Mõte on selles, et astud ussiaugu ühte avausse sisse ja tuled välja 
teisest  avausest  teises  kohas  teisel  ajal.  Kui  ussiaugud  on  olemas,  oleks  see  ideaalne  kiire 
kosmoserännak. 
  Klassikalises  teoorias  alluvad  kõik  füüsikaseadustele  vastavad  väljad  nõrga  energia  tingimustele, 
mis ütleb, et energiatihedus iga vaatleja jaoks on nullist suurem või sellega võrdne. Niiviisi on lõpliku 
suurusega   ajamasin   puhtalt  klassikalises  teoorias  välistatud.  Siiski,  poolklassikalises  teoorias,  mis 
käsitleb kvantväljasid klassikalises aegruumis, on lood teisiti. Kvantteooria määramatuse printsiibi 
kohaselt väljad fluktueeruvad üles-alla, isegi näivalt tühjas ruumis. Need kvantfluktuatsioonid teevad 
energiatiheduse  lõpmatuks.  Seega  tuleb  vaadeldava  lõpliku  energiatiheduse  saamiseks  lahutada 
lõpmatu suurus. Vastasel juhul kõverdaks energiatihedus aegruumi kokku ühte punkti.  
  Isegi kui tulevikus avastatakse mõni teistsugune teooria, ei arva Hawking, et ajaränd saab kunagi 
võimalikuks.  Kui  see  oleks  võimalik,  oleks  juba   ammu   kõik  kohad  tulevikust  tulnud  turiste 
täis.(Stephen W. Hawking, 2013) 
8 
 
 
KOKKUVÕTE 
 
  Kuigi  Universum  on  väga  keeruline  ja  võib-olla  korraliku  füüsika  hariduseta  kohati  raskesti 
mõistetav, suudab Stephen Hawking oma teooriad ka tavalisele gümnaasiumi õpilasele selgeks teha.  
  Hawking’ile on kindlasti kuulsust  toonud  tema haigus ja paljud inimesed teavad, kui võrratu mõistus 
sellel mehel on, aga mida rohkem olen ma tema teooriatesse ja uuringutesse süvenenud, seda rohkem 
pean ma tast lugu. Ma isiklikult imetlen väga inimesi, kes suudavad raskustest üle olla ja teha seda, 
mis neile meeldib.  
  Selle põhjal, mis mina Stephen Hawkingi kohta olen lugenud, võin kindlalt öelda, et ta on geniaalne 
mees. Vaatamata kõigile raskustele on ta füüsikasse tohutult palju panustanud. 
  Ma loodan, et tulevikus huvitub rohkem inimesi füüsikast ja uurib ka vabal ajal selle kohta rohkem. 
 
9 
 
LISAD 
 
 
Stephen Hawking, Autor: Jason Bye 
 
 
 
Suur Pauk,  Autor: Rhys Taylor 
 
 
 
        
 
 
 
Must auk, Autor: The University of Texas McDonald Observatory 
10 
 
KASUTATUD KIRJANDUS 
 
 
„ Evolution Handbook“ Vance Ferrell 2001 
„Juhatus Stephen Hawking’i juurde“ J.P.McEvoy, Oscar Zarate 2002 
„My Brief History“ Stephen W. Hawking 2013 
http://www.loodusajakiri.ee/horisont/index.php?id=351  Tiit Kändler 22.04.2015 
http://www.biography.com/people/stephen-hawking-9331710#related-video-gallery   Bio. A&E 
Television Networks 24.04.2015 
http://et.sciencegraph.net/wiki/Stephen_Hawking  Sciencegraph 27.04.2015 
 
11