Stephen Hawking, fysikern som spolade tillbaka universumet och skummat upp boostade partiklar från de heta gränsregionerna av svarta hål, blir 76 idag (8 jan).
Förutom att vara en världsberömd kosmolog har Hawking blivit något av en popkulturikon. Han är en slående figur: ett geni samlat i en kropp som till stor del är immobiliserad av amyotrofisk lateral skleros, eller ALS. Han stöds av en avancerad rullstol och kommunicerar med världen genom ett sällsynt och specialiserat system som konverterar rörelserna hos en enda muskel i kinden till tal. I det läget dök han upp på "Star Trek: The Next Generation", "The Simpsons" och "The Big Bang Theory."
Men Hawkings mest långvariga arv kommer att vara den viktigaste fysikern under andra hälften av 1900-talet - en forskare som tog de tidigare figurerna som Albert Einstein och Werner Heisenberg och stickade dem ihop till något som närmar sig en sammanhängande förklaring för beteendet hos kosmos.
"Det finns en singularitet i vårt förflutna"
Ingen bra geniehistoria börjar med något mindre än en smäll, så det är lämpligt att Hawkings första stora prestation också var hans doktorsavhandling vid University of Cambridge.
Hawkings avhandling, som godkändes 1966, framförde ett dramatiskt argument: att hela universum började som en enda punkt, oändligt liten och tät och krullade upp sig själv - en punkt i början av allt. Eller, som han senare skulle skriva, kortfattat: "Det finns en singularitet i vårt förflutna."
Det var den första beskrivningen av Big Bang som det vanligtvis förstås idag: en oändligt liten punkt längst bort i tiden som brast ut i vårt moderna, ständigt expanderande kosmos.
Som Hawking beskrev i sin föreläsning 2005 "The Origin of the Universe", kom hans avhandling fram till ett ögonblick då forskare hade sett att de stora tomma räckvidden räcker, chasmen mellan galaxerna, expanderade. Men de var inte säkra på varför. Vissa fysiker föreslog svagare versioner av Big Bang-konceptet, minus singulariteten. Men en annan teori, kallad Steady State Universe, var dominerande.
"När galaxer flyttades isär," sade Hawking om Steady State Universe, "tanken var att nya galaxer skulle bildas från materia som var tänkt att ständigt skapas i hela rymden. Universum skulle ha existerat för evigt och skulle ha sett samma ut på alla tider."
Med andra ord trodde många forskare att universum expanderade, men på ett sätt som gav det ingen början och inget slut.
Som biograf Kitty Ferguson skrev i sin bok "Stephen Hawking: An Unfettered Mind" (St. Martins Griffin, 2012), kämpade Hawking med depression under månaderna efter hans ALS-diagnos 1963 vid 21 års ålder och hade den mentala sjukdomen kvarstå, kunde han har aldrig kommit fram till hans avhandling. Men hans depression minskade när det blev tydligt att han överlevde förväntningarna och när han beviljades ett undantag från Cambridge-reglerna för doktorander, vilket tillåter honom att gifta sig med sin första fru, Jane Wilde, enligt Ferguson.
Under den perioden innan han kom till ämnet för sin doktorsavhandling rapporterade Hawking att han kände sig frustrerad över hur forskarna upptäckte sig med arbete som han i slutändan ansåg vara trivial.
"Folk var så glada över att hitta någon lösning på fältekvationer; de frågade inte vilken fysisk betydelse, om någon, det hade," sade han senare i sin födelsedagföreläsning 2002.
Den frustrationen ledde honom till sin första borste med beryktelse. Som Ferguson berättade, reste Hawking i juni 1964 för att höra en föreläsning från Fred Hoyle, en berömd astronom och förespråkare för Steady State Universe teorin. Under föreläsningen blev Hawking så frustrerad att han drog sig upp på benen, lutade på sin käpp för att utmana ett av Hoyles resultat.
"En förvånad Hoyle frågade Hawking hur han eventuellt skulle kunna bedöma om resultatet var rätt eller fel", skrev Ferguson. "Hawking svarade att han hade 'utarbetat det.'"
Publiken blev imponerad, och Hoyle blev "förargad" av denna okända doktorand som tycktes riva ihop professorens forskning i hans huvud vid föreläsningen, skrev Ferguson. (Faktum är att Hawking hade vänat sig med en av Hoyels studenter och börjat attackera idén långt före föreläsningen.)
Strax därefter, skrev Ferguson, lärde Hawking om en kosmologisk teori utvecklad av matematikern Roger Penrose: att singulariteter, poängen med oändlig täthet och rymd-tid-krökning som är teoretiserad i den allmänna relativiteten, kan verkligen dyka upp när tillräckligt stora stjärnor kollapsar på sig själva.
"Hawking tog fart därifrån," skrev Ferguson, "vänt tidens riktning och övervägde vad som skulle hända om en punkt med inifinit täthet och oändlig krökning av rymdtid - en singularitet - exploderade utåt och expanderade. Anta att universum började som Anta att rymdtid, krullad i en liten, måttlös punkt, exploderade i det vi kallar Big Bang och expanderade tills det ser ut som det gör idag. Kan det ha hänt så? Måste har det hänt så? "
Hawking började arbeta och säkerhetskopierade sitt spekulationståg med robusta stödberäkningar. Hans doktorsavhandling, baserad på dessa beräkningar, godkändes 1966. Dessa beräkningar, tillsammans med uppföljande forskning som genomfördes i samarbete med Penrose under det följande decenniet, bildade grunden för forskarnas moderna förståelse av Big Bang.
Ungefär samma tid började vissa viktiga förutsägelser av Steady State Universe-teorin misslyckas med experimentella test, vilket cementerade Hawkings status som upptäcker av den sanna historien i det tidiga universum.
Svarthålsexplosioner?
Om Hawkings enda prestation i hans karriär var att upptäcka den historiska formen på universum, skulle han fortfarande vara en jätte - den person som nämnts tillsammans med Rosalind Franklin, som upptäckte DNA: s helixform, eller Nicolaus Copernicus, som först föreslog heliocentrisk modell av solsystemet. Men det var bara den första av Hawkings två avgörande framsteg.
Den andra, Hawking-strålning, kräver lite förståelse för två saker: svarta hål och kvantmekaniken i tomt utrymme.
Först om svarta hål: Ett svart hål är en stjärna som har kollapsat på sig själv och blivit så tyngdkraftig att inte ens ljus kan undkomma ett område runt dess centrum. Utöver den punkt, kallad händelshorisonten, är rymdtiden så krökt att allt som faller bakom höljet tappas för alltid. Ett svart hål, enligt denna förståelse i början av 1970-talet, avger aldrig ljus, krymper aldrig, förlorar aldrig massa; den får bara massa och drar mer utrymme in i sitt höljda territorium.
För det andra, om kvantmekanik: Vid Hawkings karriär hade forskare länge vetat att Heisenbergs osäkerhetsprissättning antydde att tomt utrymme inte riktigt är tomt. I stället vrider det med "virtuella" partiklar - materia-antimateria-par som visas tillsammans, separerar och sedan kraschar in i varandra och förstörs inom en tidsperiod som är för kort att mäta. (Forskare argumenterar fram till i dag om dessa virtuella partiklar verkligen existerar eller dyker upp endast i kvantekvationer på grund av deras konstiga, sannolikhet.)
På sensommaren 1973 deltog Stephen och Jane Hawking i en föreläsningsserie i Warszawa, Polen, för att fira Copernicus 500-årsdag, skrev Ferguson. Där mötte Hawking två sovjetiska fysiker, Yakov Borisovich Zel'dovich och hans student Alexei Alexandrovich Starobinsky, som hade visat att energin att snurra svarta hål skulle skapa partiklar precis utanför deras händelsevisont. De partiklarna skulle bry sig bort i rymden, sa Zel'dovich och Starobinsky i sin föreläsning och sappade lite av det svarta hålets snurr medan de gick. Så småningom, Zel'dovich och Starobinsky sa, de svarta hålen skulle sluta snurra.
Idén fastnade i Hawkings huvud, skrev Ferguson, och han återvände till Cambridge för att upprepa och förfina Zel'dovich och Starobinksys beräkningar. Men när han tog sitt första kniv vid deras resultat, utspelades något nytt.
"Jag konstaterade, till min överraskning och irritation, att även icke-roterande svarta hål tydligen borde skapa och avge partiklar i en jämn takt", skrev han senare i sin bok från 1988 "A Brief History of Time."
Så här förklarade han i boken:
Om svarta hål finns i rymden och har definierade händelsehorisonter, och om rymden ständigt rullar med virtuella "par självförstörande partiklar, måste ibland dessa partiklar dyka upp till kanten av svarta hålens händelsevisont. av dessa partikelpar måste framträda perfekt positionerade med en antimaterialpartikel med negativ massa separerad på ena sidan av händelseshorisonten och den andra partikeln med positiv massa separerad på den andra sidan.
Den konstiga omständigheten skulle effektivt "öka" partiklarna från deras virtuella semiexistens till full verklighet, insåg Hawking, eftersom de skulle ha separerat tillräckligt för att inte förintas. Det innebar att partiklar av energi och massa tycktes strömma från ytan på svarta hålens händelsehorisonter. Och den strömmen av energi, som strålar utåt från vad fysiker tidigare trodde var evigt mörka kroppar, tog namnet Hawking-strålning, efter att han beskrev det i ett artikel från 1974 med titeln "Black Hole Explosions?"
Hawking-strålning förändrade djupt hur fysiker förståde universum. Innan Hawkings insikt trodde forskare att varje materia eller energi som förlorades i ett svart hål försvann från det bredare universumet för alltid, så att svarta hålens händelshorisonter skulle fungera som murar bortom vilka några av universums grejer aldrig skulle återvända.
Men Hawkings upptäckt visade att svarta hål skulle förfalla snabbare och snabbare med tiden. För varje positiv partikel som strömmade från ytan av en händelseshorisont ut i det bredare universum, skulle en negativ partikel med negativ energi och massa falla tillbaka in i rymden bortom händelseshorisonten, vilket minskar den totala massan och energin låst där borta. Med tiden skulle processen få svarta hål att krympa. Och när de krymper skulle de bli mer aktiva med Hawking-strålning och krympa snabbare.
Hawking förutspådde att universum måste innehålla "primordiala svarta hål" som inte uppstod från kollapsande stjärnor utan från extrema tryck från det tidiga universum. Dessa svarta hål, ansåg han, skulle ha krympt avsevärt under de mellanliggande miljarder åren och deras små händelsehorisonter skulle dämpa ut kraftiga strålar av Hawking-strålning.
"Sådana hål förtjänade knappast svart: de är verkligen vit het, "skrev han i" En kort historia av tiden. "
Så småningom, beslutade Hawking, skulle de explodera.
När Hawking började dela denna idé, skrev Ferguson i "An Unfettered Mind", hans kamrater fick den som antingen lysande eller kättare. När Penrose hörde viskningar om det, ringde han Hawking precis som fysikern satte sig till sin födelsedagsmiddag 1974 och gratulerade honom så länge att hans middag blev kall. Men månader senare steg moderatoren vid symposiet där Hawking lade fram sitt förslag för att förklara det som "fullständigt skräp."
Idag anses det vara ett grundläggande vetenskapligt faktum.
Bortom svarta hål
Under de fyra och ett halvt decenniet sedan "Black Hole Explosions?" Hawking har fortsatt att publicera forskning som plockar bort i universums underlag - inklusive idéer som angriper hans egna tidigare bidrag. (Se till exempel den häpnadsväckande rubriken 2014 i Nature, "Stephen Hawking: Det finns inga svarta hål".)
Hawking har blivit mest känd i sin senare karriär som vetenskaplig kommunikatör. Han har följt upp sin klassiker "A Brief History of Time" från 1988 med ytterligare 10 populära vetenskapliga verk och en memoar med titeln "My Brief History" (Random House, 2013).
Det är omöjligt att prata om Hawkings enorma bidrag till den mänskliga förståelsen av universum utan att erkänna sammanhanget för hans långt sjunkande hälsa. Hawkings två avgörande bidrag till fysiken kom under samma period då han förvandlade sig från en ung person som kunde gå på egen hand till en man som var begränsad till en rullstol, slurade sitt tal och var beroende av sin fru för att transkribera sina tankar .
ALS förlamar kroppen, men - åtminstone i Hawkings fall - det skadar inte sinnet. Och för det, skrev Ferguson, har Hawking länge räknat sig "oerhört tur."
"Det var sant 1964, och det är idag," skrev Ferguson, "att vad Hawking beträffar, desto mindre gjord av hans fysiska problem, desto bättre. Jag kände igen 1989, under intervjuer för min första bok om honom, att om jag skulle skriva om hans vetenskapliga arbete och inte helt nämna att det att göra sådant arbete möjligen representerade mer av en prestation för honom än för de flesta, skulle det ha passat honom bra. "
Hawking har verkat vara mest bekväm att diskutera funktionshinder i samband med hans aktivism, vilket har varit betydande. 1999 gick han med i en grupp med 12 framstående personer, inklusive den sydafrikanska aktivisten Desmond Tutu, när han undertecknade en stadga som uppmanade världens regeringar att förändra sina relationer med sina funktionshindrade befolkningar och utöka tjänster som förbättrar människorna med funktionshinder.
Hawking har också varit en framträdande försvarare av universell hälsovård och Storbritanniens National Health Service (NHS), och gått så långt som att attackera det konservativa partiets hälsosekreterare Jeremy Hunt i ett anförande i augusti 2017 för otillräckligt finansiering och stöd för programmet.
"Jag skulle inte vara här utan NHS," sade Hawking.
Hawking tenderar att få mest uppmärksamhet för sina idéer om mänsklighetens framtid när han kommenterar artificiell intelligens eller utlänningar. Men huvuddelen av hans uttalanden om ämnet har varit mer jordnära: motsatta krig, oroande att USA: s president Donald Trumps avskedande av klimatförändringar skulle kunna skada planeten och gå med i den globala akademiska bojkotten av Israel.
Live Science önskar Hawking en mycket lycklig födelsedag och många fler.
