-
پايان فيزيك ...
پايان فيزيك - بخش اول
برگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and work نوشته Kitty Ferguson
استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين
در 29 اوريل 1980 در سالن كنفرانس كوكرافت در كمبريج انگلستان جايي كه عرصه باليدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روي صندلي‌هاي رديف‌شده بر كف شيب‌دار سالن كه مقابل ديواري پوشيده از وايت‌برد و پرده اسلايد بود، گرد‌هم آمده بودند. اين جلسه براي وضع اولين خطابه يك پروفسور جديد كرسي لوكاشين(Lucasian) رياضي برقرار شده بود. اين پروفسور استفن ويليام هاوكينگ رياضي‌دان و فيزيكدان 38 ساله بود.
عنوان خطابه يك سوال بود:
آيا دورنماي پايان فيزيك نظري ديده مي‌شود؟
و هاوكينگ با اعلام اين كه پاسخ او به اين سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده كرد! او از حضار دعوت كرد تا به او بپيوندند و با گريزي شورانگيز از ميان زمان و مكان جام‌مقدس علم را بيابند. يعني نظريه‌اي كه جهان و هر چه را كه در آن روي مي‌دهد، تبيين كند.
استفن هاوكينگ در حالي كه يكي از شاگردانش خطابه او را براي جمعيت گرد آمده قرائت مي‌كرد. روي صندلي‌چرخ‌دار نشسته بود. در يك قضاوت ظاهري به‌نظر نمي‌رسيد كه او انتخاب مناسبي براي رهبري يك كار خطير باشد. فيزيك نظري براي او گريز بزرگي از يك زندان بود. زنداني بسيار بدتر از آنچه در مورد آزمايشگاه‌هاي قديمي كاونديش به طعنه بيان مي‌شد. از اوايل بيست سالگي او با بيماري از كار افتادگي روزافزون كه از مرگ زودرس او خبر مي‌داد، مي‌ساخت. هاوكينگ مبتلا به اسكلروز جانبي آميوتروفيك(Amyotrophic Lateral Sclerosis) يا ALS بود و زماني كه كرسي لوكاشين رو عهده‌دار شد، ديگر توانايي راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را نداشت و اگر سرش به پايين مي‌افتاد نمي‌توانست آن را بلند كند. صحبت كردن او غير مفهوم و فقط براي كساني كه وي را خوب مي‌شناختند قابل درك بود. براي خطابه لوكاشين، او با زحمت فراوان متن مورد نظر خود را قبلاْ ديكته كرده بود تا شاگردش بتواند، آن را قرائت كند. اما هاوكينگ معلول نبوده و نيست. او يك رياضي‌دان و فيزيكدان برجسته است و بسياري او را برجسته‌ترين فيزيكدان پس از انيشتين مي‌دانند. كرسي لوكاشين يك مقام آكادميك ممتاز است كه زماني سر آيزاك نيوتن عهده‌دار آن بود.
هاوكينگ ضمن مبارزه دائمي با بيماري لاعلاجش همواره در تلاش براي دستيابي به پاسخ اين سوال اصلي كيهان‌شناسي بوده است كه اين جهان از كجا آمده و به كجا مي‌رود؟ زندگي او تلاشي مستمر و پيگير در راه كشف حقايق اين جهان است. او به دنبال نظريه «همه چيز» است. نظريه جامعي كه بتواند قوانين حاكم بر جهان را در يك سري معادلات و قواعد خلاصه كند. موقعي كه نظريه نسبيت عمومي انيشتين را براي توضيح برخي ويژگيهاي فيزيكي سياهچالهها ناتوان مي‌بيند، به مكانيك كوانتومي متوسل مي‌شود. سعي مي‌كند اين دو را در هم آميزد. فرضيه‌اي مطرح مي‌كند. فرضيه‌اش را مورد سوال قرار مي‌دهد. در راه كشف حقيقت به سوال‌هايي برمي‌خورد. فضاي خالي، خالي نيست! سياهچالهها سياه نيستند! آغازها مي‌توانند پايان‌ها باشند و …. حقيقت بسيار پيچيده و گريزان است. آيا هاوكينگ و دانشمندان ديگر روزي به نظريه همه چيز دست خواهند يافت؟
دانشمندان زيادي در اين زمينه تلاش مي‌كنند. برخي حداقل به اندازه هاوكينگ شهرت دارند. اما چيزي كه زندگي هاوكينگ را متمايز مي‌كند، اميد است. 39 سال از از زماني كه پزشكان براي هاوكينگ عمري دو يا سه ساله در حالي كه تكه‌گوشتي بيشتر نخواهد بود پيش‌بيني كرده بودند، مي‌گذرد. او هنوز با بيماريي كه تمام عضلات او را از كار انداخته است، مبارزه مي‌كند و كماكان به حيات پربار خود ادامه مي‌دهد. پيام او به ديگران همواره اين بوده است كه به بيماري‌اش نينديشند.
-
پايان فيزيك - بخش دوم
قواعدي پشت قواعد ديگر
هر ماده‌اي كه بينديشيم در جهان وجود دارد(مردم، هوا، يخ، ستارگان، گازها، ميكروب‌ها، صفحه مانيتور شما) از اجزاء ساختاري بسيار ريزي به‌نام اتم تشكيل شده اند. مي‌دانيم كه اتم‌ها بنوبه خودشان از موجودات كوچكتري به نام ذرات و يك فضاي خالي بسيار بزرگ(در مقايسه با ابعاد اين ذرات) ساخته شده‌اند. همچنين مي‌دانيم كه برخي از ذرات خود از ذرات ريزتري تشكيل شده‌اند.
ذرات مادي رو كه همگي مي‌شناسيم. پروتونها و نوترونها در هسته اتم و الكترونها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم رو به‌نام كلي فرميونها مي‌شناسيم.
فرميونها يك سيستم پيام‌رساني دارند كه بين آن ذرات رد و بدل شده و به راههاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتي در آنها مي‌شود. سيستم پيام‌رساني انسان‌ها را در نظر بگيريد. كبوتر نامه‌بر، پست، تلفن و فكس سرويس‌هاي اين سيستم مي‌تانند ناميده شوند. اما همه انسان‌ها از هر 4 سرويس فوق براي رد و بدل كردن پيام بين همديگر استفاده نمي‌كنند.
در مورد ذرات مادي هم سيستم پيام‌رساني وجود دارد كه سرويس‌هاي چهارگانه‌اي دارد. اين سرويس‌ها را نيرو مي‌ناميم. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميونها و در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. اين ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزونBoson ناميده مي‌شوند.
پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون.
گفتيم كه سرويس‌هاي پيام‌رسان 4گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش هست. نيروي گرانش را كه ما را روي زمين نگه مي‌دارد، مي‌توانيم مثل پيامي در نظر بگيريم. حامل اين پيام نوعي بوزون هست كه گراويتون ناميده مي‌شود. گراويتونها حامل پيامي بين ذرات اتم‌هاي بدن ما و ذرات اتم‌هاي زمين هستند و به ذرات مذكور مي‌گويند كه به‌هم نزديك شوند.
نيروي دوم يا نيروي الكترومغناطيس پيام‌هايي هست كه به‌وسيله بوزون‌هايي به‌نام فوتون بين پروتون‌هاي درون هسته يك اتم و الكترون‌هاي نزديك به آن، يا بين الكترونها رد و بدل مي‌شوند. اين پيام‌ها موجب مي‌شوند كه الكترونها دور هسته گردش كنند. در مقياسهاي بزرگتر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان مي‌دهند. سومين سرويس پيام‌رسان نيروي قوي است كه موجب مي‌شود هسته اتم يكپارچگي خود را حفظ كند و چهارمين سرويس نيروي ضعيف است كه موجب راديواكتيويته مي‌شود.
فعاليت اين 4 نيرو باعث رد و بدل شدن پيام بين كليه فرميون‌هاي جهان و برهمكنش بين آنها مي‌شود. بدون اين 4 نيرو هر فرميون اگر هم وجود داشته باشد در جدايي به‌سر مي‌برد، بدون اين كه بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثير بگذارد. بزبان ساده‌تر:
اگر چيزي بوسيله اين چهار نيرو روي ندهد، اتفاقي نخواهد افتاد.
درك كامل اين چهار نيرو به ما امكان مي‌دهد تا اصولي را كه مبناي همه رويدادهاي جهان هست، درك كنيم.
بسياري از كارهاي فيزيكدانان قرن بيستم براي آگاهي بيشتر از طرز عمل اين جهار نيروي طبيعي و ارتباط بين آنها انجام شد. در سيستم پيام‌رساني انسان‌ها، ممكن هست به اين موضوع واقف بشيم كه تلفن و فكس دو سرويس جداگانه نيستند. بلكه هر دو اجزاي يك سيستم واحدند كه به دو طريق متفاوت جلوه‌گر مي‌شوند. آگاهي از اين واقعيت موجب يگانگي دو سيستم پيام‌رساني خواهد شد. به طريق مشابهي فيزيك‌دان‌ها تا حدودي با موفقيت سعي كردند نوعي يگانگي بين نيروها رو استنباط كنند. آنها اميدوار بودند نظريه‌اي بيابند كه در غايت امر هر چهار نيرو را بوسيله يك ابرنيرو توجيه كند. نيرويي كه خودش را به‌گونه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد و نيز موجب يگانگي فرميونها و بوزونها در يك خانواده مي‌شود. فيزيك‌دان‌ها اين نظريه را نظريه يگانگي نام دادند. اين نظريه بايد دنيا را توجيه كند. يعني نظريه همه چيز بايد يك قدم پيش‌تر برود و به اين سوال پاسخ بده: دنيا در لحظه آغاز قبل از اين كه زماني بگذرد، چگونه بوده است؟
فيزيك‌دان‌ها همين سوال را بزبان خودشان با اين عبارت بيان مي‌كنند كه: شرايط اوليه يا شرايط مرزي در آغاز جهان چه بوده است؟
درك كامل ابرنيرو ممكن هست كه درك شرايط مرزي را هم براي ما امكان‌پذير كند. از طرف ديگر ممكن است كه ضروري باشد كه ما شرايط مرزي را بدانيم تا بتوانيم ابرنيرو را بفهميم. اين دو بطور تنگاتنگي با يكديگر ارتباط دارند و نظريه پردازان هم از هر دو طرف مشغول كار هستند تا به «نظريه همه‌چيز» ( از منشا آلماني= Weltformel ) دست پيدا كنند.
-
پايان فيزيك - بخش سوم
نظريه‌ها
نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.
مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميونها(ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت(تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.
يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.
اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. قبلاْ ديديم كه شما مي‌توانيد نيرويي را كه شما را روي زمين نگه مي‌دارد، مثل تبادل گراويتونها(همان پيام‌رسان‌هاي گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، در نظر بگيريد. در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما چون همه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسيار بغرنج مي‌شود. بي‌نهايت‌هايي حاصل مي‌شوند كه خارج از مفهوم رياضي معنايي ندارند. نظريه‌هاي علم فيزيك واقعاْ نمي‌توانند با اين بي‌نهايت‌ها سر و كار داشته باشند. آنها اگر در نظريه‌هاي ديگر يافت شوند، تئوريسين‌ها به روشي كه آن را ري‌نرماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين باره مي‌گويد: اين كلمه هر چقدر زيركانه باشد، باز من آن را يك روش ديوانه‌وار مي‌نامم. خود او هنگامي كه روي نظريه‌اش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كار مي‌كرد، از اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.
استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش كه هاوكينز در خطابه لوكاشين خود بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه در ا» اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.
راه ديگر
از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكار گيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟
همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت(Uncertainty principle) نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ در ادامه خواهيم ديد كه استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به چه نتايج شگرفي دست يافته است.
سياهچالهها سياه نيستند!
شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم، يكي ديگر هم اضافه كنيم:
فضاي خالي، خالي نيست
در ادامه خواهيم ديد كه چگونه مي‌توان به اين نتيجه رسيد. فعلا همينقدر بدانيم كه اصل عدم قطعيت بدان معني است كه فضا مملو از ذره و پادذره است!
نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد كـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.
اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم:
1- فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آنها مقداري عظيم يا مقداري بينهايت از انرژي است.
2- وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا-زمان مي‌شود.
تركيب اين دو ايده ما را به اين نتيجه مي‌رساند كه كل جهان مي‌بايستي در يك توپ كوچك پيچيده شده باشد. چنين چيزي روي نداده است! بدينسان موقعي كه از نظريه‌هاي نسبيت عام و مكانيك كوانتومي توامان استفاده مي‌شود، پيشگويي آنها اشتباه محض است.
نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دو نظريه‌هاي فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترين دستاوردهاي فيزيك در قرن گذشته هستند. از اين دو نظريه نه‌تنها براي هدف‌هاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي، به‌نحوي درخشان استفاده مي‌شود. با وجود اين اگر آنها را با هم در نظر بگيريم، نتيجه همانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است. نظريه همه چيز بايد به‌نحوي اين بي‌معنا بودن را حل كند.
-
پايان فيزيك - بخش چهارم
آيا پيشگويي ممكن است؟
نظريه همه‌چيز بايد بتواند اين امكان را به‌شخصي كه جهان ما را نديده است، بدهد كه همه چيز را پيشگويي كند. با چنين نظريه‌اي شايد بشود خورشيدها و سيارات و كهكشانها و سياهچالهها و كوزارها را پيشگويي كرد. اما آيا مي‌شود به‌وسيله آن برنده مسابقه اسب‌دواني سال أينده ايالت كنتاكي را پيشگويي كنيم؟ آيا اين پاسخ قابل اعتماد است؟ نه‌چندان!
محاسبات لازم براي بررسي همه داده‌هاي جهان بطور مضحكي بسيار فراتر از ظرفيت هر كامپيوتر قابل تصوري خواهد بود.
هاوكينگ مي‌گويد كه گر چه ما مي‌توانيم معادلات حركت دو جسم را با استفاده از نظريه نيوتن محاسبه كنيم، اما نمي‌توانيم همين محاسبات را دقيقاْ براي حركت سه‌جسم انجام دهيم! علت آن نيست كه قوانين نيوتن در مورد بيش از دو جسم صادق نيستند. بلكه پيچيدگي رياضي معادلات كار را سخت مي‌كند. لازم به يادآوري هم نيست كه در جهان واقعي با بيش از سه جسم روبرو هستيم.
ما در خصوص سلامتي خود نيز با وجود اين كه به شالوده اصول دانش پزشكي، شيمي، بيولوژي بسيار مسلط هستيم، نمي‌توانيم پيشگويي كنيم. در اينجا نيز مساله آن هست كه ميلياردها ميليارد رويدادهاي جزئي در سيستم بدن انسان وجود دارد.
با دستيابي به نظريه همه چيز ما هنوز به طرز گيج‌كننده‌اي از پيشگويي همه چيزها دور خواهيم بود. حتي اگر اصول زيربنايي ساده و به‌خوبي فهميده شده باشند، نحوه عملكرد آنها فوق‌العاده پيچيده است. پس اين كه چه اسبي در مسابقه اسب‌دواني سال آينده كنتاكي برنده مي‌شود، با نظريه همه‌چيز قابل پيشگويي است. اما هيچ كامپيوتري نمي‌تواند تمام داده‌هاي اين پيشگويي را در خود جاي داده و معادلات آن را حل كند. آيا اين درست است؟
آري و خير! زيرا يك مسئله ديگر باقي است! اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتومي!!! در سطح بسيار ريز يعني سطح كوانتومي جهان، اصل عدم قطعيت توانايي ما را براي پيشگويي رويدادها بسيار محدود مي‌كند.
ساكنان عجيب و گرفتار دنياي كوانتوم يعني فرميونها و بوزونها را در نظر بگيريد. اينها باغ‌وحش عظيمي از ذرات را تشكيل مي‌دهند. الكترونها و پروتونها و نوترونها در ميان فرميونها وجود دارند. هر پروتون و نوترون به نوبه خود از سه كوارك كه آنها هم فرميون هستند، تشيل شده است. بعد بووزن‌ها را داريم. فوتونها پيام‌رسان نيروي الكترومنيتيك، گراويتونها پيام‌رسان نيروي جاذبه، گلوئون پيام‌رسان نيروي قوي و wها و Zها پيام‌رسان نيروي ضعيف هستند. دانستن اين كه اينها و خيلي از موجودات شبيه آنها كجا هستند؟ به كجا مي‌روند؟ و با چه سرعتي مي‌روند، ممكن است ما را ياري كند. اما آيا مي‌توانيم اين چيزها را بدانيم؟ ارنست راترفورد در اوايل قرن بيستم در آزمايشگاه كاونديش كمبريج، مدلي از اتم را ارائه داد كه در آن الكترونها در مدارهايي شبيه مدار سيارات به دور خورشيد، دور هسته اتم مي‌گردند. ما اكنون مي‌دانيم كه مدارات الكترونها را نمي‌توان به اين دقت و وضوح رسم كرد. بهتر اسن بجاي آن مدار الكترونها را بصورت پراكنده و نامشخص شبيه ابري در اطراف هسته تصور كنيم. اين وضعيت در مورد همه ذرات ديگر هم به همين شكل است. اصل عدم قطعيت همانطور كه گفته شد، مي‌گويد كه نمي‌توان با دقت به‌طور همزمان مكان و سرعت يك ذره را تعيين كرد. موضوع مثل الاكلنگي است كه پايين رفتن يك سمت آن، منجر به بالا رفتن سمت ديگر مي‌شود. هر چه سرعت را دقيق‌تر اندازه بگيريم دقتمان در تعيين مكان ذره كمتر مي‌شود و برعكس هر چه مكان دقيق‌تر پيش‌بيني شود، سرعت ذره را با دقت كمتري مي‌توان تعيين كرد. در دنياي كوانتوم موشكافي بيشتر به ويراني مي‌انجامد. براي توصيف مدار يك ذره بهترين راه آن است كه همه راههايي را كه آن ذره مي‌تواند حركت كند، بررسي و محاسبه كنيم. اين عمل ما را به مبحث احتمالات مي‌كشاند. در نهايت فقط مي‌توانيم بگوييم كه اين ذره احتمال دارد در فلان مسير حركت كند و احتمال دارد فلان‌جا باشد. با تمامات ابهامات چنين راهي، استفاده از آن اطلاعات مفيدي به ما مي‌دهد.
در فيزيك كوانتومي فيزيكدانان راههاي ماهرانه‌اي ابداء كرده‌اند تا زيركانه ذرات را مشاهده كنند. اما كارشان بي‌ثمر مانده است. علت آن نيست كه ما هوشيارانه عمل نكرديم يا بهترين ابزار مشاهده و اندازه‌گيري را به‌كار نگرفته‌ايم. دنياي ذرات حقيقتاْ مبهم و غير قطعي است.
تعجب‌آور نيست كه هاوكينگ در سخنراني لوكاشين خود از مكانيك كوانتومي به عنوان «نظريه‌اي در باره آنچه نمي‌دانيم و نمي‌توانيم پيشگويي كنيم» ياد كرد.
-
پايان فيزيك - بخش پنجم
بازنگري در هدف علم فيزيك
با در نظر گرفتن محدوديت‌هايي كه از آنها ياد شد، فيزيكدانان تعريف جديدي را از علم ارائه كرده‌اند: نظريه همه چيز مجموعه‌اي از قوانيني خواهد بود كه پيشگويي رويدادها را تا حدي كه اصل عدم قطعيت معين كرده است، امكان‌پذير مي‌سازد!
اين بدان معني است كه در بسياري موارد بايد به احتمالات راضي شويم و از گرفتن نتايج مشخص و دقيق صرف‌نظر كنيم!
استيون هاوكينگ مسئله را چنين جمع‌بندي مي‌كند! او در پاسخ اين سوال كه آيا همه چيز از پيش به طور جبري به وسيله خدا يا نظريه همه چيز تعيين شده است؟ مي‌گويد:
ولي اين امكان هم وجود دارد كه چنين نباشد! زيرا هرگز ممكن نيست كه ما بدانيم چه چيزي از پيش معين شده است! اگر نظريه از پيش تعيين كرده است كه ما بايد با چوبه دار اعدام شويم، بنابراين در آب غرق نخواهيم شد. اما قبل از اين كه سوار يك قايق كوچك در دريايي طوفاني شويم، بايد اطمينان داشته باشيم كه سرنوشت ما براي اعدام با چوبه دار مقدر شده است!
به نظر هاوكينگ ايده آزادي اراده، نظريه تقريبي بسيار خوبي در باره رفتار بشر است!
اگر منصف باشيم، بايد بگوييم كه همه فيزيكدانان گمان نمي‌كنند كه «نظريه همه چيز» وجود دارد يا اگر هست، دستيابي به آن براي ما ميسر است. بعضي از آنها بر اين باورند كه علم با باريك‌بيني و اكتشافات پي در پي به باز كردن اطاق‌هاي تو در توي اسرار ادامه خواهد داد ولي هيچ‌گاه به آخرين اطاق نمي‌رسد. برخي ديگر چنين استدلال مي‌كنند كه رويدادها مسلماْ به‌طور كامل قابل پيش‌بيني نيستند و به‌طور تصادفي اتفاق مي‌افتند. برخي اعتقاد دارند كه خدا و موجوداتي مثل بشر بسيار بيش از آنچه نظريه همه چيز ممكن است اجازه دهد، از آزادي كنش و واكنش در چارچوب جهان برخوردار هستند. آنها مي‌گويند كه موضوع مثل نواختن يك موسيقي از پيش نوشته شده توسط اركستر است. باز هم نوازنده امكان آفرينش زيادي در نواختن نتها دارد. امكاني كه از پيش معين نشده است!
به هر رو چه يك نظريه رسا و كامل براي توضيح جهان هستي در دسترس بشر باشد يا اميد دسترسي به آن در آينده وجود داشته باشد، افرادي بين ما هستند كه مي‌خواهند در راه دسترسي به آن كوشش كنند. ما موجوداتي دلير و داراي حس كنجكاوي سيري‌ناپذير هستيم. منصرف كردن برخي از ما مثل استيون‌هاوكينگ از چنين راهي، كار دشواري است. موري گلمان فيزيكدان ديگري از Caltech كه او نيز چنين كوششي دارد، مي‌گويد: تكاپو براي فهميدن اين جهان، اين كه از كجا آمده است و چگونه كار مي‌كند، سترگ‌ترين و ماندگارترين ماجراي زندگي بشر است. دشوار است كه در نظر آريم كه مشتي ساكنان سياره كوچكي در گردش به‌دور يك ستاره ناچيز در كهكشاني كوچك، سودايشان فهم همه اين جهان پهناور باشد! ذره بسيار خردي از هستي بر اين باور باشد كه توانايي فهم همه جهان هستي را دارد!
-
پايان فيزيك - بخش ششم
گرانش
از گرانش و نور چه مي‌دانيم؟
گرانش (جاذبه) يكي از نيروهاي چهارگانه و براي ما از همه آشناتر است.
در كودكي به ما ياد داده‌اند كه هنگامي كه بستني مي‌خوريم، اگر روي قالي بريزد يا وقتي از روي تاب به زمين مي‌افتيم، گناه از نيروي گرانش است. اگر از شما بخواهند حدس بزنيد كه آيا نيروي جاذبه خيلي ضعيف يا خيلي قوي است، چه ميگوييد؟ احتمالا خواهيد گفت: « فوق‌العاده قوي است!». در اين صورت در اشتباه خواهيد بود. اين نيرو به‌مراتب، از سه نيروي ديگر ضعيف‌تر است. گرانشي كه در زندگي روزمره ما، اين قدر محسوس است، گرانش سياره بسيار بزرگي است كه روي آن زندگي مي‌كنيم يا در حقيقت، برآيند گرانش همه ذرات موجود در زمين است. سهم هر ذره، ناچيز است. براي اندازه‌گيري جاذبه گرانشي ضعيف بين اشياء كوچكي كه هر روز با آنها سروكار داريم، به‌دستگاه‌هاي خيلي دقيق، نيازمنديم. ضمن اين كه گرانش هميشه حالت جذب دارد و هرگز دفع نمي‌كند، پس خصوصيت جمع‌پذيري دارد.
جان ويلر فيزيكدان، مايل است گرانش را شبيه يك سيستم دموكراتيك فرض كند. هر ذره يك رأي دارد كه مي‌تواند بر هر ذره ديگر موجود در جهان اثر بگذارد. اگر ذرات جمع شوند و رأي جمعي بدهند(مثلاْ در يك ستاره يا زمين)، تأثير بيشتري اعمال مي‌كنند. جاذبه گرانش بسيار ضعيف تك‌تك ذرات، در اجسام بزرگي مثل زمين مانند همان راي دسته جمعي، با هم جمع مي‌شوند و نيروي قابل توجهي پديد مي‌آورند.
هر چقدر ذرات مادي كه يك جسم را تشكيل مي‌دهند، زيادتر باشد، جرم آن جسم بيشتر است. جرم با اندازه يك جسم تفاوت دارد. جرم تعيين مي‌كند كه چه قدر ماده در جسمي وجود دارد، يا تعداد آرا، در اين رأي دسته جمعي چقدر است (بدون توجه به تراكم و تفرق اين ذرات ماده)
سر ايزاك نيوتن، در سالهاي 1600 پروفسور كرسي لوكاشين رياضيات در كمبريج بود. وي همان مقامي را داشت كه هاوكينگ امروزه دارد. نيوتن قوانيني را كشف كرد كه چگونگي عمل گرانش را در شرايط كم و بيش عادي، توضيح مي‌دهند. نخست اين كه اجسام درجهان درحال سكون نيستند. آنها به‌حال سكون نمي‌مانند تا نيرويي آنها را با كشيدن يا راندن به حركت درآورد و سپس با « از كار افتادن » اين نيرو، بار ديگر به حال سكون درآيند. بلكه بر عكس، اگر جسمي كاملاْ به حال خود گذارده شود، در امتداد يك خط راست بدون تغيير جهت و تغيير تندي به حركت خود ادامه مي‌دهد. بهترين ديدگاه آن است كه فكر كنيم، در جهان، همه چيز در حال حركت است. ما مي‌توانيم سرعت يا جهت حركت خود را نسبت به ساير اجسامي كه در جهان وجود دارند، بسنجيم، اما نمي‌توانيم آن را نسبت به سكون مطلق يا چيزي مثل شمال و جنوب، بالا يا پايين مطلق اندازه‌گيري كنيم.
به عنوان مثال، اگر كره ماه در فضا تنها بود، در حال سكون نمي‌ماند بلكه در امتداد خط راست بدون تغيير سرعت، به حركت خود ادامه مي‌داد.
البته اگر ماه واقعاْ تنها بود، امكان نداشت كه حركت آن را به گونه‌اي كه گفته شد، بيان كنيم زيرا چيزي نبود كه حركت ماه را به آن نسبت دهيم. اما ماه كاملاْ تنها نيست. نيرويي موسوم به گرانش، ماه را وادار مي‌كند كه تندي حركت و جهت حركت خود را تغيير دهد. اين نيرو از كجا مي‌آيد؟ اين نيرو از مجموعه آراء ذرات نزديك به‌هم (جسمي با جرم زياد) مي‌آيد كه همان زمين باشد. ماه در برابر اين تغيير، مقاومت مي‌كند و سعي مي‌كند كه حركت خود را روي يك خط راست نگه دارد. در همين حال، گرانش ماه نيز روي زمين تأثير مي‌گذارد. مي‌دانيم كه نمونه بارزش جذر و مد اقيانوس‌هاست.
نظريه گرانش نيوتن به ما مي‌گويد كه مقدار جرم يك جسم، چگونه بر شدت گرانش بين آن جسم و جسم ديگر، تأثير مي‌گذارد. اگر عوامل ديگر تغيير نكنند، هر قدر جرم زيادتر باشد، جاذبه شديدتر خواهد بود. اگر زمين دو برابر جرم فعلي خود را داشت، جاذبه‌‌اي كه بين زمين و ماه وجود دارد، نسبت به جاذبه كنوني آن، دو برابر مي‌شد. اما اگر فاصله ماه تا زمين، دو برابر فاصله كنوني بود، شدت جاذبه بين آنها يك‌چهارم شدت فعلي مي‌شد. (نظريه گرانش نيوتن را در كتب پايه فيزيك ببينيد)
نظريه گرانش نيوتن، نظريه بسيار موفقي بود و تا 200 سال بعد، مورد تجديد نظر واقع نشد. هنوز هم ما از آن استفاده مي‌كنيم در حالي كه مي‌دانيم، در بعضي شرايط، مثلاْ اگر نيروهاي گرانشي فوق‌العاده شديد باشند(به عنوان مثال در نزديكي يك سياهچاله)، يا زماني كه اجسام با سرعتي معادل نور حركت كنند، اين نظريه ديگر صادق نيست.
آلبرت اينشتين، در اوايل اين قرن، به مشكلي در نظريه نيوتن پي برد. دانستيم كه نيوتن، شدت گراني بين دو جسم را به فاصله آنها، مربوط مي‌دانست. در صورتي كه اين فرضيه درست باشد، اگر خورشيد در يك لحظه به هر دليلي به فاصله خيلي دورتر از زمين برود، مي‌بايستي جاذبه بين خورشيد و زمين در همان لحظه تغيير كند. آيا چنين چيزي ممكن است؟
نظريه نسبيت خاص اينشتين مي‌گويد كه سرعت نور ثابت است. در هر مكان از جهان و با هر سرعتي كه اجسام حركت كنند، سرعت نور تغيير ناپذير است و هيچ سرعتي، بالاتر از سرعت نور نيست. نور خورشيد در زماني معادل 8 دقيقه به ما مي‌رسد. بنابراين، ما هميشه خورشيد را آن طور مي‌بينيم كه هشت دقيقه پيش بوده است. اگر خورشيد از زمين دور شود، 8 دقيقه بعد، ما به هر اثري كه اين تغيير فاصله داشته باشد، پي خواهيم برد. براي 8 دقيقه،ما خورشيد را در همان مدار مي‌بينيم كه قبلاً ديده‌ايم. مثل اينكه خورشيد حركتي نكرده است. به عبارت ديگر، اثر گراني يك جسم بر جسم ديگر، نمي‌تواند فوراْ تغيير كند! زيرا سرعت انتقال گرانش كه زيادتر از سرعت نور نيست. اطلاع از اينكه خورشيد چه اندازه دور شده است، نمي‌تواند فوراْ از طريق فضا به ما برسد. اين اطلاع‌رساني، به هر وسيله‌اي كه باشد، سريعتر از سرعت نور، يعني 300000 كيلومتر در ثانيه كه نخواهد بود. بنابر اين، روشن است كه اگر بخواهيم در باره حركت اجسام در جهان گفتگو كنيم، واقع بينانه نخواهد بود كه تنها سه بعد فضا را در نظر بگيريم. اگر هيچ چيز نمي‌تواند سريعتر از نور منتقل شود، چيزهايي در فاصله‌هاي نجومي، صرفاْ بدون يك عامل زمان نه براي ما وجود دارند و نه براي خود آن چيزها بين يكديگر! توصيف جهان در سه بعد همان قدر ناكافي است كه بخواهيم يك مكعب را در دو بعد توصيف كنيم. بسيار پرمعني‌تر خواهد بود كه بعدي به‌نام زمان را به ابعاد ديگر اضافه كنيم. يعني بپذيريم كه در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضا ـ زمان بپردازيم.
-
پايان فيزيك - بخش هفتم
نسبيت عام و فضا - زمان
اينشتين چندين سال بي‌وقفه در تلاش بود تا نظريه‌اي در باره گرانش بيابد كه با آنچه خود او در باره نور و حركت نزديك به سرعت نور يافته بود، هم‌خوان باشد. او در سال 1915، نظريه نسبيت عام را اعلان كرد. بنابراين نظريه گرانش نه به عنوان نيرويي بين اجسام، بلكه بر حسب شكل و خميدگي فضا ـ زمان چهار بعدي، در نظر گرفته مي‌شود. در نسبيت عام، گرانش، هندسه جهان است.
برايس دويت، از دانشگاه تگزاس توصيه مي‌كند كه براي شروع فكر كردن در باره اين خميدگي، مي‌توانيم فردي را تصور كنيم كه عقيده دارد كره زمين كروي نيست، بلكه مسطح است و مي‌خواهد يك شبكه شطرنجي صاف، روي زمين پهن كند:
نتيجه را مي‌توان از درون يك هواپيما، در روزي با هواي صاف، روي كشتزارهاي گريت‌پلينز آمريكا، نگريست. زمين، بين جاده‌هاي شمال جنوب و شرق ـ غرب به تكه‌هايي كه هر يك، يك مايل مربع وسعت دارد، تقسيم شده است. جاده‌هاي شرقي ـ غربي اغلب با خطوطي كه در طول چند كيلومتر بريدگي ندارد، ادامه مي‌يابد ولي در مورد جاده‌هاي شمال ـ جنوب، وضع بدين منوال نيست. اگر يك راه شمالي ـ جنوبي را پي‌بگيريم، در هر چند مايل با پيش‌آمدگيها و پس‌رفتگيهايي، در شرق و غرب اين جاده، برخورد مي‌كنيم. اين بي‌قاعدگي‌ها، در اثر خميدگي زمين پديد مي‌آيند. اگر اين انحرافات را از بين ببريم، جاده‌ها به هم نزديك شده و قطعاتي به وجود مي‌آيد كه كمتر از يك مايل مربع وسعت خواهند داشت.
در حالت سه بعدي، مي‌توان داربست غول پيكري را در فضا تصور كرد كه از اتصال ميله‌هايي راست با طول مساوي و زواياي 90 درجه و 180 درجه تشكيل شده باشد. اگر فضا مسطح باشد، ساختمان اين داربست بدون اشكال پيش مي‌رود. اما اگر فضا خميده باشد، ساختمان داربست منوط به اين خواهد بود كه ميله‌ها را كوتاهتر يا درازتر كنيم، تا روي خميدگي فضا جا بيفتد.
بر اساس نظريه اينشتين، خميدگي، به علت وجود جرم و انرژي ايجاد مي‌شود. هر جسم پرجرم بسيار بزرگ، در خميدگي فضا ـ زمان، نقش دارد. اجسامي كه در «امتداد خطي مستقيم در جهان حركت مي‌كنند»، مجبور به دنبال كردن مسيرهاي خميده‌اي هستند. يك تشك ورزش آكروبات را در نظر بگيريم. فرض كنيم در مركز آن، يك توپ بولينگ وجود دارد كه تا اندازه‌اي در تشك، فرو مي‌رود. يك توپ كوچك بازي گلف را روي تشك در امتداد يك خط مستقيم به‌نحوي رها كنيم كه از كنار توپ بزرگتر، بگذرد. توپ گلف، هنگامي كه به فرورفتگيهاي نزديك توپ، بولينگ كه در اثر آن به وجود آمده است، مي‌رسد، مسير خودش را تغيير مي‌دهد. احتمال دارد كه اين توپ، از اين هم فراتر رود. ممكن است مسير بيضي شكلي انتخاب كرده و به عقب بازگردد. چيزي شبيه اين، زماني كه كره ماه روي مسير مستقيمي در نزديكي زمين قرار دارد، روي مي‌دهد. زمين، فضا ـ زمان را همان گونه منحرف مي‌كند كه توپ بزرگ، مسير توپ كوچك را تغيير مي‌دهد. مدار ماه، نزديكترين چيز به خط مستقيم، در فضا ـ زمان منحرف شده است. ملاحظه مي‌كنيم كه اينشتين، همان پديدهاي را كه نيوتن به توجيه آن پرداخته بود، تشريح كرده است. از نظر اينشتين، يك جسم با جرم زياد، موجب انحراف فضا ـ زمان مي‌شود. در نظريه نيوتن يك جسم بزرگ روي جسم كوچكتر، نيرو اعمال مي‌كند. نتيجه در هر دو حالت، تغيير مسير جسم كوچكتر است. طبق نظريه نسبيت عمومي، «ميدان جاذبه» و «خميدگي» دو مفهوم يكسان‌اند.
اگر مدارهاي سيارات منظومه شمسي را بر اساس نظريه‌هاي نيوتن و سپس با استفاده از نظريه اينشتين محاسبه كنيم، نتيجه، بجز در مورد عطارد، تقريباً يكسان خواهد بود زيرا عطارد نزديكترين سياره به خورشيد است و بيشتر تحت تأثير جاذبه خورشيد، قرار مي‌گيرد. پيش‌بيني نتيجه اين نزديكي طبق نظريه اينشتين، اندكي با آنچه طبق نظريه نيوتن به دست مي‌آيد، متفاوت است. مشاهدات نشان مي‌دهد كه مدار عطارد، با پيش‌بيني اينشتين، همخواني بهتري دارد، تا نظريه نيوتن.
نظريه اينشتين، پيشگويي مي‌كند كه چيزهاي ديگري بجز ماه و سيارات نيز، تحت تأثير خميدگي فضا ـ زمان قرار مي‌گيرند. مثلاً فوتونها (ذرات نور)، بايد در فضاي خميده حركت كنند. اگر باريكه نوري كه از ستاره‌اي دور سير مي‌كند، مسير آن از نزديكي خورشيد بگذرد، خميدگي فضا ـ زمان در نزديكي خورشيد موجب مي‌شود كه اين مسير اندكي به طرف خوردشيد خميده شود همان گونه كه مسير توپ گلف به طرف توپ بولينگ، اندكي منحرف مي‌شود. شايد هم مسير نور ستاره به نحوي خميده شود كه نور در نهايت با زمين برخورد كند. خورشيد خيلي نوراني‌تر از آن است كه بتوانيم نور ستاره را در كنارش ببينيم مگر در حالت كسوف. اگر ما ستاره را در اين حالت ببينيم و متوجه نباشيم كه خورشيد مسير نور ستاره را منحرف مي‌كند، برداشتي نادرست خواهيم داشت از اينكه نور از كجا به طرف ما مي‌آيد و ستاره دقيقاْ در كجاي آسمان جا دارد. ستاره‌شناسان، با استفاده از اين پديده، جرم اجسام آسماني را با اندازه‌گيري مقدار انحراف مسير نور ستارگان دور، حساب مي‌كنند. هر چه جرم اين «خم‌كننده» زيادتر باشد، خميدگي مسير نور بيشتر خواهد بود.
تا اينجا ما از گرانش، با در نظر گرفتن آنچه كه در مقياس بزرگ مشاهده مي‌كنيم، گفتگو كرديم. البته اين مقياسي است كه در آن گرانش در ستارگان، كهكشانها و حتي تمام جهان آشكار مي‌شود و اين همان مقياسي است كه هاوكينگ در دهه 1960، با آن سروكار داشت اما، گرانش را مي‌توان در مقياسهاي بسيار كوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش در اين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروي ديگر كه دوتاي آنها تنها دراين سطح عمل مي‌كنند، دست يابيم. روش مكانيك كوانتومي براي در نظر گرفتن نيروي گرانش بين ماه و زمين آن است كه اين نيرو را با تبادل گراويتونها (بوزونها يا ذرات پيام‌رسان نيروي گرانش)، بين ذرات تشكيل دهنده اين دو كره در نظر بگيريم.
-
پايان فيزيك - بخش هشتم
اگر روزي زمين فشرده شود!
به خاطر بياوريد كه از نيروي گرانش بر روي زمين چه احساسي داريد. فرض كنيد كه مي‌خواهيد براي گذراندن تعطيلات به فضا برويد. در زمان غيبت شما، واقعه عجيبي در زمين روي مي‌دهد: زمين فشرده مي‌شود و به نصف اندازه اصليش مي‌رسد. در اين حال، زمين هنوز همان جرم قبلي را دارد، ولي اكنون فشرده شده است. پس از پايان اين مسافرت به زمين باز مي‌گرديد، فضاپيماي شما مدتي سرگردان مي‌ماند، تا محلي را كه قبل از فشرده شدن، از آن پرواز كرده بود، پيدا كند. در اين مسير كه شعاع آن، برابر شعاع سابق زمين است، خود را با همان سنگيني قبل از پرواز، احساس مي‌كنيد. كشش جاذبه زمين در آنجا تغييري نكرده است زيرا در جرم شما و جرم زمين، نسبت به سابق تفاوتي وجود ندارد. فاصله شما از مركز گراني (گرانيگاه) زمين نيز همان فاصله قبلي است(نيوتن را به ياد آوريد!). ماه نيز مانند گذشته دور زمين مي‌گردد. اما هنگامي كه فضاپيماي شما در همان مكاني كه از آن پرواز كرده بوديد فرود مي‌آيد (با شعاع بسيار كمتر و نزديكتر به مركز گرانش زمين)، گرانش در سطح جديد زمين چهار برابر مقداري است كه قبل از فشردگي زمين به ياد داريد. شما خود را بسيار سنگينتر احساس مي‌كنيد.
اگر واقعه بسيار شگفت‌انگيزتري روي دهد چه مي‌شود؟ چه مي‌شود، اگر زمين تا اندازه يك نخود فشرده شود، يعني تمام جرم زمين كه ميلياردها تن است، در فضايي آنقدر كوچك تمركز يابد؟ گراني در سطح اين كره نخودي آنقدر شديد مي‌شود كه سرعت گريز از آن، بيشتر از سرعت نور خواهد بود. زمين به يك سياهچاله تبديل مي‌شود. حتي نور هم نمي‌تواند از آن بگريزد. با وجود اين، در شعاعي از فضاي خارج آن، جايي كه سطح زمين قبل از فشردگي بوده، كشش گراني زمين هنوز همان است كه امروز احساس مي‌كنيم. كره ماه مثل قبل، روي مدار خود در حركت خواهد بود.
تا آنجا كه ما مي‌دانيم، چنين داستاني روي نخواهد داد. سياره‌ها به سياهچاله تبديل نمي‌شوند. اما احتمال آن زياد است كه اين واقعه براي بعضي از ستارگان، روي دهد. اكنون همين داستان را، در باره يك ستاره بازگو مي‌كنيم. از ستاره‌اي شروع كنيم كه جرمي در حدود ده برابر جرم خورشيد دارد. شعاع ستاره تقريباً 3 ميليون كيلومتر يعني قريب 5 برابر شعاع خورشيد است. سرعت گريز از اين ستاره حدود 1000 كيلومتر در ثانيه و عمر آن نزديك به 100 ميليون سال است و در اين مدت زمان، زندگي و مرگ و كشاكش نيروها با يكديگر ادامه دارد. در يك سوي اين كشاكش، گرانش است: جاذبه هر ذره موجود در ستاره، براي جذب ذرات ديگر. اين گرانش بود كه در آغاز پيدايش ستاره، ذرات گازي را به سوي هم كشيد تا نخستين بار، ستاره تشكيل شود. اين كشش حتي اكنون كه ذرات به هم نزديكتر شده‌اند، زيادتر شده است. تيم گرانش، در اين مسابقه، سعي در رمبيدن(كولاپس) ستاره دارد.
طرف مقابل اين كشاكش، نيروي فشار گاز در ستاره است. اين فشار از گراماي حاصل از همجوشي هسته‌هاي هيدروژن، و تشكيل هسته هليوم ناشي مي‌شود. اين انرژي گرمايي، موجب درخشندگي ستاره مي‌شود و فشار كافي براي مقاومت در برابر گرانش و جلوگيري از رمبيدن ستاره ايجاد مي‌كند. كشاكش نيروها، 100 ميليون سال ادامه دارد. آنگاه سوخت ستاره تمام مي‌شود. ديگر هيدروژن، براي تبديل به هليوم موجود نيست. پاره‌اي از ستارگان، هليوم را نيز با همجوشي هسته‌اي به عناصر سنگينتر تبديل مي‌كنند ولي اين عمل فقط مدت كوتاهي به عمر ستاره اضافه مي‌كند. زماني كه ديگر فشاري براي مقابله با نيروي جاذبه موجود نباشد، ستاره منقبض مي‌شود. در اين حال، گرانش در سطح ستاره، مانند آنچه قبلاً در مورد داستان فشردگي زمين ديديم، به تدريج افزايش مي‌يابد. لازم نيست كه ستاره، براي آنكه به يك سياهچاله تبديل شود، به اندازه يك نخود در آيد. زماني كه شعاع اين ستاره كه جرم آن ده برابر خورشيد بود به 30 كيلومتر برسد، سرعت گريز از آن 300 هزار كيلومتر در ثانيه يعني برابر سرعت نور خواهد بود. موقعي كه نور نتواند از آن بگريزد، ستاره به سياهچاله تبديل مي‌شود. (به دلايلي كه جاي بحثش اينجا نيست، ستاره‌هايي كه جرم آنها از 8 برابر خورشيد كمتر باشد، احتمالاً پس از طي اين مراحل، به سياهچاله تبديل نمي‌شودند. تنها ستارگاني كه جرم آنها بيشتر باشد، سياهچاله به وجود مي‌آورند.)
پس از آنكه سرعت گريز از ستاره از سرعت نور فزوني يافت، ما ديگر براي اين سوال كه آيا ستاره به منقبض شدن خود ادامه خواهد داد يا نه، پاسخي نداريم. حتي اگر منقبض نشود، باز هم ما يك سياهچاله خواهيم داشت. به ياد داشته باشيم كه در داستان فشردگي كره زمين، گراني در شعاع اوليه زمين هيچ‌گاه تغيير نكرد. خواه ستاره تا سرحد يك نقطه با چگالي بينهايت منقبض شود يا در شعاعي كه سرعت گريز از آن معادل سرعت نور است، باقي بماند، در هر دو حالت، مادامي كه جرم ستاره تغيير نكرده است، گراني در اين شعاع يكسان خواهد بود. سرعت گريز در آن شعاع، سرعت نور است و در سرعت نور باقي خواهد ماند. براي نور، گريز از ستاره غير ممكن است. باريكه‌هاي نور مجاور كه از ستارگان دور دست مي‌رسند، نه تنها منحرف مي‌شودن بلكه ممكن است چند دور اطراف سياهچاله بچرخند و بعد، از آن گريخته يا در آن سقوط كنند. اگر نور داخل سياهچاله شود، ديگر گريزي نخواهد داشت. هيچ چيز نمي‌تواند سرعتي بيش از سرعت نور داشته باشد. چه «خاموشي» عميقي خواهيم داشت! نه نور، نه بازتابش، نه هيچ‌گونه تابش (راديويي، ميكروويو، پرتو ايكس و غيره)، نه صدا، نه چشم‌انداز، نه كاوشگر فضايي، مطلقاً هيچ داده‌اي نمي‌تواند از آن خارج شود.
شعاع كره‌اي را كه سرعت گريز آن برابر سرعت نور باشد مرز سياهچاله، شعاع بدون بازگشت يا افق رويداد مي‌نامند. هاوكينگ و پن‌روز در اواخر دهه 1960، پيشنهاد جديدي براي تعريف سياهچاله ارائه كردند. بنابر اين تعريف، سياهچاله ناحيه‌اي از جهان يا «مجموعه‌اي از رويدادها»ست كه از يك فاصله معين، گريز از آن براي هيچ چيز ممكن نيست. در زمان ما اين تعريف پذيرفته شده است. يك سياهچاله با افق رويدادش به‌عنوان يك مرز بيروني، شكلي مانند كره دارد. يا اگر در حال چرخيدن باشد، به يك كره كشيده شده مي‌نمايد كه از ديدگاه جانبي بيضي شكل است (يا مي‌توانست به اين شكل نمايان شود، اگر ما مي‌توانستيم آن را ببينيم). افق رويداد، با مسيرهايي در فضا ـ زمان پرتوهاي نوري كه درست بر لبه آن منطقه كروي شكل در جا مي‌زنند، مشخص مي‌شود. اين پرتوها نه مي‌توانند به درون كره كشيده شوند و نه مي‌توانند از آن بگريزند. گرانش در اين شعاع، به آن شدت نيست كه اين پرتوها را به داخل بكشاند ولي به اندازه‌اي است كه از گريز پرتوها جلوگيري مي‌كند. آيا ما آن پرتوها را مانند كره‌اي با روشنايي ضعيف خواهيم ديد؟ خير. اگر فوتونها بتوانند از اين شعاع بگريزند، رسيدن آنها به چشمهاي ما نيز، ميسر نخواهد بود. براي اينكه شما چيزي را ببينيد، بايد فوتونهاي آن به چشم شما برسد. اندازه سياهچاله را جرم آن معين مي‌كند. اگر بخواهيم شعاع سياهچاله (شعاع تشكيل افق رويداد) را محاسبه كنيم، بايد جرم خورشيدي سياهچاله را در 3 كيلومتر ضرب كنيم. بدينسان، افق رويداد سياهچاله با جرم خورشيدي 10، برابر با 30 كيلومتر خواهد بود. (جرم خورشيد ستاره، برابر با جرم ستاره رمبيده شده نسبت به جرم خورشيد است، به شرط آنكه جرم ستاره، در جريان رمبيدگي و تبديل شده به سياهچاله، كم نشده باشد. ) روشن است كه اگر جرم سياهچاله تغيير پيدا كند، شعاع افق رويداد و اندازه سياهچاله نيز تغيير خواهد كرد. در باره امكان تغيير اندازه سياهچاله، بعداْ بسيار بيشتر خواهيم گفت.
-
پايان فيزيك - بخش نهم
تصوري از جهان ما
با كشيده شدن حفاظي بر افق رويداد، ستاره در تنهايي كامل قرار مي‌گيرد. هر نوري كه بتابد به داخل كشيده مي‌شود. پن‌روز مي‌خواست بداند كه آيا ستاره به رمبيدن خود ادامه خواهد داد، يا اينكه رويداد ديگري در انتظار ستاره خواهد بود؟
او كشف كرد كه در ستاره‌اي كه به شرحي كه رفت، رمبيده مي‌شود، همه ماده آن با نيروي گراني خودش، در داخل سطح آن به دام مي‌افتد. حتي اگر رمبش كاملاً كروي و هموار نباشد، ستاره به رُمبيده شدن ادامه مي‌دهد. سرانجام، اين سطح، با همه ماده‌اي كه هنوز در آن محبوس است، آنقدر منقبض مي‌شود تا به صفر برسد. در اين صورت، ستاره عضيم مورد بحث ما، با جرمي ده برابر جرم خورشيدي، پس از رمبش به ناحيه‌اي به شعاع 30 كيلومتر كه افق رويداد آن است محدود نمي‌شود، بلكه شعاع نهايي و نيز حجم آن به صفر مي‌رسد. رياضي‌دانان اين مرحله را تكينگي مي‌نامند. در چنين تكينگي، چگالي ماده، به بينهايت مي‌رسد. خميدگي فضا ـ زمان، بينهايت مي‌شود، و پرتوهاي نور تنها در اطراف پيچيده نمي‌شوند، بلكه به طوري بينهايت فشرده، به هم مي‌پيچند. نسبيت عام، وجود تكينگي‌ها را پيشگويي مي‌كند ولي در اوايل دهه 1960 كمتر كسي اين پيشگويي را جدي مي‌گرفت. فيزيكدانان فكر مي‌كردند كه يك ستاره اگر جرمي به اندازه كافي بزرگ داشته باشد و تحت نيروي گرانش رمبيده شود، ممكن است يك تكينگي به وجود آورد. پن‌روز نشان داد كه اگر جهان از نسبيت عام اينشتين پيروي كند، بايد اين تكينگي به وجود آيد.
در گذشته ما يك تكينگي وجود دارد
ايده پن‌روز، آنش به ذهن هاوكينگ انداخت. هاوكينگ متوجه شده كه اگر جهت زمان را معكوس كند، به طوري كه رُمبش به انبساط تبديل شود، همه چيز در نظريه پن‌روز به جاي خود باقي مي‌ماند. اگر نسبيت عام به ما مي‌گويد هر ستاره‌اي كه فراسوي نقطه معيني مي‌رُمبد، بايد به يك تكينگي ختم شود، در اين صورت نيز مي‌گويد كه هر جهان در حال انبساط بايد از يك تكينگي آغاز شده باشد. هاوكينگ دريافت كه اگر اين نتيجه‌گيري درست باشد، بايد جهان از مدلي كه دانشمندان آن را مدل فريدمان مي‌نامند، پيروي كند. مدل جهان فريدمان چيست؟ تا زماني كه هابل ثابت كرد جهان در حال انبساط است، اعتقاد به جهان ايستا (جهاني كه اندازه آن تغيير نكند)، خيلي شديد بود. زماني كه اينشتين، در سال 1915 نظريه نسبيت عام را ارائه كرد، اين نظريه انبساط جهان را پيشگويي مي‌كرد. اما، اينشتين آنقدر از غير واقعي بودن اين نتيجه مطمئن بود كه نظريه خود را مورد تجديد نظر قرار داد. او يك ثابت كيهاني، براي متوازن كردن گرانش به آن اضافه كرد. اما، بدون اين ثابت كيهاني، نظريه نسبيت عام آنچه را كه ما امروزه درست مي‌دانيم پيشگويي مي‌كرد: اندازه جهان در حال تغيير است. يك فيزيكدان روسي به نام الكساندر فريدمان، تصميم گرفت كه نظريه اينشتين را بدون ثابت كيهاني به كار گيرد. با اين كار، او آنچه را كه هابل در 1929 به اثبات آن دست يافت، پيشگويي كرد: جهان در حال انبساط است. فريدمان كار خود را با دو فرض آغاز كرد؟ (1) جهان، در هر جهت كه به آن نگاه كنيم، يكسان است (به استثناي چيزهايي كه نزديك هستند مثل منظومه شمسي و كهكشان راه شيري از ديدگاه ما)؛ (2) جهان از هركجا كه به آن نگاه كنيم يكسان است.
فرض اول فريدمان را مي‌توان به آساني پذيرفت، ولي پذيرفتن فرض دوم مشكل است. هيچ دليل قاطعي براي اثبات يا رد آن وجود ندارد. هاوكينگ مي‌گويد: «ما آن را تنها از نظر تواضع مي‌پذيريم: بسيار جالب خواهد بود اگر انيا در هر جهت از اطراف ما يكسان باشد اما نه در اطراف هر نقطه ديگر از جهان!» شايد بتوان گفت كه جالب است ولي غير ممكن نيست. براي باور داشتن چيزي، تواضع، دليلي منطقيتر از غرور به نظر نمي‌رسد. با وجود اين، فيزيكدانان تمايل دارند كه فرضيه دوم فريدمان را هم بپذيرند.
در مدل جهان فريدمان، همه كهكشانها از يكديگر دور مي‌شودند. هر قدر فاصله آنها از يكديگر زيادتر باشد، با سرعت بيشتري از هم دور مي‌شوند. اين موضوع با مشاهدات هابل همخواني دارد. طبق نظريه فريدمان، در هر كجاي فضا كه حركت كنيم، باز كهكشانها را در حال دور شدن از خود مي‌بينيم. براي درك بهتر اين موضوع يك مورچه را در نظر بگيريم كه روي يك بادكنك، آهسته راه مي‌رود. روي بادكنك نقاطي با فضاي يكنواخت ترسيم شده است. فرض كنيم كه مورچه بعدي را كه به او امكان نگاه كردن به «بيرون»، از سطح بادكنك را بدهد، نمي‌بيند و از فضاي درون بادكنك آگاهي ندارد. جهان مورچه، تنها سطح بادكنك است كه در هر جهت يكسان مي‌نمايد. اين مورچه هر جا كه باشد و در هر جهت كه روي سطح بادكنك حركت كند، همان قدر نقطه در جلوي خود مي‌بيند كه در عقب خود. اگر بادكنك بزرگتر شود، اين نقاط از نظر مورچه، در هر كجاي بادكنك كه باشد، دور مي‌شوند. اين «جهان» بادكنكي با هر دو فرض فريدمان همخواني دارد: در همه جهات، يكسان به نظر مي‌آيد. در هر جاي آن كه باشيم باز هم در همه جهات يكسان است.
چه چيز ديگري مي‌توانيم در باره دنياي بادكنكي بگوييم؟ اندازه آن بينهايت نيست. سطح آن ابعادي دارد كه مي‌توانيم آن را مانند سطح زمين اندازه بگيريم. هيچ‌كس نمي‌تواند گمان ببرد كه سطح زمين بينهايت است. اما اين سطح نيز نه مرز و نه پايان دارد. مورچه، صرف نظر از جايي كه روي سطح بادكنك حركت مي‌كند، هيچ‌گاه به مانعي برخورد نمي‌كند، پاياني نمي‌يابد و از لبه‌اش نمي‌افتد. سرانجام به نقطه‌اي كه از آنجا حركت كرده بود، باز مي‌گردد.
در مدل اوليه فريدمان، فضا به همين شكل است، اما به جاي دو بعد، سه بعد دارد. گرانش، فضا را به سوي گرداگرد خودش خم مي‌كند. جهان از حيث اندازه بينهايت نيست ولي پايان و مرزي هم ندارد. يك سفينه فضايي هيچ وقت به مكاني از فضا نمي‌رسد كه در آن جهان تمام شود. ممكن است درك اين مسأله مشكل باشد، زيرا ما معمولاً از بينهايت اين را مي‌فهميم كه «پايان ندارد». اين دو مقوله، معناهاي متفاوتي دارند. هاوكينگ متذكر مي‌شود كه گرچه فكر فضانوردي دورادور جهان و بازگشت به نقطه مبدأ، به نظر داستان علمي تخيلي بزرگي مي‌آيد، اما دست كم با اين مدل فريدمان، انجام آن غير ممكن است. شما مي‌بايستي از حداكثر سرعت (سرعت نور) كه مجاز نيست تجاوز كنيد تا قبل از اينكه جهان به پايان عمر خود برسد، آن را دور بزنيد. جهان يك بادكنك فوق‌العاده عظيم است و ما مورچه‌هاي بسيار ريزي هستيم.
در مدل فريدمان، زمان مثل فضا نامحدود نيست. مي‌توان آن را اندازه‌گيري كرد. زمان بر خلاف فضا مرزهايي دارد:يك آغاز و يك پايان. انبساط آنقدر آهسته و جرم به قدر كافي در جهان موجود است كه در نهايت، جاذبه گرانشي، انبساط را متوقف كرده و موجب منقبض شدن جهان شود. كهكشانها بار ديگر به يكديگر نزديك مي‌شوند. در پايان زمان، فاصله آنها بار ديگر به صفر مي‌رسد.
ممكن است جهان ما چيزي شبيه اين باشد.
-
پايان فيزيك - بخش دهم
سياهچاله و آنتروپي
شبي از ماه نوامبر 1970 كمي پس از تولد دخترم لوسي، موقعي كه مي‌خواستم به رختخواب بروم، شروع به تفكر در باره سياهچاله كردم. به علت معلوليتي كه دارم، اين كار طول مي‌كشيد و بنابر اين به اندازه كافي وقت براي اين انديشه داشتم.»
نتيجه اين تفكر، كشف چيزي آنقدر ساده بود كه پس از شنيدن به نظر مي‌رسد به فكر هر كسي مي‌توانست راه يابد. اما براي هاوكينگ، اين ايده آنقدر جالب بود كه او را تا صبح بيدار نگه داشت. هاوكينگ يادآوري مي كند كه پن‌روز راجع به آن فكر كرده بود ولي متوجه نتايج آن نشده بود.
ايده اين بود كه يك سياهچاله هيچ‌گاه نمي‌تواند كوچكتر شود زيرا سطح يك افق رويداد (شعاع-غيرقابل-بازگشت كه در آنجا سرعت، از سرعت نور فراتر مي‌رود) هرگز نمي‌تواند كاهش يابد.
به طور خلاصه يادآوري كنيم كه يك ستاره در حال رُمبش، به شعاعي مي‌رسد كه در آنجا سرعت گريز با سرعت نور برابر است. فوتونهايي كه اين ستاره پس از رسيدن به اين شعاع، گسيل مي‌كنند، چه مي‌شوند؟ گراني در اينجا آنقدر شديد است كه امكان گريز به اين فوتونها را نمي‌دهد، ولي آنقدر شديد نيست كه آنها را به داخل سياهچاله بكشاند. فوتونها در اينجا سرگردان مي‌مانند. اين شعاع افق رويداد است. پس از آن، ستاره به منقبض شدن ادامه مي‌دهد، هر فوتون گسيل شده، به داخل ستاره بازگردانيده مي‌شود.
آنچه هاوكينگ به آن پي برد اين بود كه مسيرهاي پرتوهاي نور كه در افق رويداد سرگردان هستند نمي‌تواند مسيرهاي پرتوهاي نور باشد كه به يكديگر نزديك مي‌شوند. مسيرهاي پرتوهاي نور كه به يكديگر نزديك مي‌شوند، به شدت به هم برخورد مي‌كنند، به سياهچاله سرازير مي‌شوند و ديگر سرگردان نيستند. براي اينكه ناحيه افق رويداد كوچكتر شود (و سياهچاله كوچكتر شود)، مي‌بايد مسيرهاي پرتوهاي نور در افق رويداد به يكديگر نزديك شوند. ولي اگر اين طور شود، اين پرتوها به داخل سرازير مي‌شوند، افق رويداد باز هم درست در همان جا كه بوده است خواهد ماند و كوچكتر نخواهد شد.
يك راه ديگر انديشيدن در باره اين موضوع، آن است كه بپذيريم سياهچاله مي‌تواند بزرگتر شود. در فصل قبل ديديدم كه اندازه سياهچاله به جرم آن بستگي دارد. بنابر اين، هر زمان كه چيز جديدي در سياهچاله فرود آيد، جرم آن فزوني مي‌يابد و بزرگتر مي‌شود. اگر چيزي از سياهچاله خارج شود كاهش جرم امكان ندارد، يعني سياهچاله نمي‌تواند كوچكتر شود.
اين كشف هاوكينگ به نام قانون دوم ديناميك سياهچاله شناخته شد: ناحيه افق رويداد (مرز سياهچاله) مي‌تواند ثابت بماند يا بزرگتر شود ولي هيچ‌گاه نمي‌تواند كوچكتر شود. اگر دو يا چند سياهچاله به هم برخورد كنند و يك سياهچاله تشكيل دهند، ناحيه افق رويداد جديد مساوي، يا بيشتر از جمع افق رويدادهاي قبلي خواهد بود. يك سياهچاله نمي‌تواند، هر قدر هم برخورد شديدي داشته باشد، كوچكتر شود، از بين برود يا به دو سياهچاله تقسيم شود. كشف هاوكينگ، يادآور يك «قانون دوم» ديگر در فيزيك است: قانون دوم ترموديناميك در مورد آنتروپي. آنتروپي، مقدار بي‌نظمي است كه در يك سيستم وجود دارد. مي‌دانيم كه بي‌نظمي، هميشه زيادتر مي‌شود و هيچ‌گاه كاهش نمي‌يابد. يك بازي جيك را در نظر بگيريم. در اين بازي قطعه‌هاي بريده شده يك تصوير را طوري كنار هم قرار مي‌دهند كه آن تصوير بازسازي شود. حال اگر تصوير بازسازي شده را با تكان شديدي به هم بريزيم، تصوير خراب مي‌شود و قطعات آن به طور نامنظم با هم مخلوط مي‌شوند. هيچ‌كس از چنين رويدادي تعجب نمي‌كند، ولي بسيار شگفت‌انگيز خواهد بود اگر تصور كنيم كه اين قطعه‌هاي درهم ريخته با تكانهاي مجدد، در جاي خود مرتب شوند و شكل اصلي را به وجود آورند. درجهان ما آنتروپي (بي‌نظمي) هميشه اقزايش مي‌يابد. قطعه‌هاي فنجان چاي شكسته شده، هرگز خودشان به صورت فنجان اوليه بازسازي نمي‌شوند. اطاق درهم ريخته شما، هرگز خود به خود نظم اوليه‌اش را پيدا نمي‌كند.
اكنون فرض كنيد كه شما قطعات فنجانها را به هم چسبانديد و اطاق خود را مرتب كرديد، و اين چيزها نظم بهتري پيدا كردند. آيا آنتروپي كل جهان كاهش يافته است؟ نه. انرژي فكري و بدني كه شما مصرف كرده‌ايد، به انرژي غير قابل استفاده‌تري تبديل شده است. اين امر نماينده آن است كه مقدار بي‌نظمي در جهان افزايش يافته و اين افزايش از افزايش نظمي كه شما به آن دست يافته‌ايد، بيشتر است.
آنتروپي، در مورد سياهچاله و افق رويداد نيز كار برد دارد. هرگاه دو سيستم به يكديگر بپيوندند، آنتروپي سيستم به هم پيوسته، مساوي يا بزرگتر از جمع آنتروپي دو سيستم است. يك مثال آشنا، آميختن مولكولهاي گاز در يك جعبه است. مولكولهاي گاز را مانند توپهاي كوچكي تصور كنيد كه پيوسته با هم يا به جدار جعبه، برخورد مي‌كنند: فرض كنيد كه جعبه با يك جداره به دو قسمت تقسيم شده باشد: نصف جعبه (يك طرف جداره) از مولكولهاي اكسيژن و نصف ديگر از مولكولهاي نيتروژن، پر شده است. اگر جداره را برداريم، مولكولهاي اكسيژن و نيتروژن با هم آميخته مي‌شوند. به زودي يك مخلوط تقريباً همگن در سراسر دو نيمه جعبه وجود خواهد داشت، اما نظم آن از نظمي كه در آن جداره در جاي خود بوده، كمتر است: آنتروپي يا بي‌نظمي افزايش يافته است (قانون دوم ترموديناميك، هميشه معتبر نيست: احتمال بسيار بسيار كمي، مثلاً يك در ميليونها ميليون وجود دارد كه مولكولهاي اكسيژن به يك سمت و مولكولهاي نيتروژن به سمت ديگر جعبه، باز گردند).
فرض كنيد كه يك جعبه حاوي مولكولهاي مخلوط يا چيز ديگري را كه آنتروپي دارد، به داخل يك سياهچاله مناسب پرتاپ كنيم. مي‌توان تصور كرد كه از شر اين مقدار آنتروپي راحت شده‌ايم و كل مقدار آنتروپي در خارج سياهچاله، از مقدار قبلي كمتر شده است. آيا به اين ترتيب قانون دوم را نقض كرده‌ايم؟ شايد استدلال كنيم كه كل جهان (در داخل و خارج از سياهچاله) هيچ آنتروپي از دست نداده است. ولي واقعيت اين است كه هرچه به سياهچاله اضافه شود، از جهان ما رفته است. آيا رفته است؟
-
پايان فيزيك - بخش يازدهم
گريز از سياهچاله
يك دانشجوي فوق ليسانس در دانشگاه پرينستون، به نام جاكوب بكن‌شتاين به اين نتيجه دست يافت كه با انداختن آنتروپي در يك سياهچاله، نمي‌توان آن را از بين برد. سياهچاله، قبل از آن نيز آنتروپي داشته و فقط آنتروپي به آن افزوده شده است. بكن‌شتاين اين طور فكر مي‌كرد كه سطح افق رويداد يك سياهچاله تنها مانند آنتروپي نيست بلكه خود آنتروپي است. هنگامي كه شما سطح افق رويداد را محاسبه مي‌كنيد، در واقع آنتروپي سياهچاله را اندازه مي‌گيريد. هنگامي كه چيزي مثل يك قوطي پر از مولكول را به داخل سياهچاله مي‌اندازيد، به جرم سياهچاله اضافه مي‌كنيد، سطح افق رويداد بزرگتر مي‌شود و آنتروپي سياهچاله نيز افزايش مي‌يابد. تمام اين موضوعات، ما را به طرف نكته‌اي معما گونه مي‌كشاند. اگر چيزي آنتروپي داشته باشد، دما هم دارد و كلاً سرد نيست. اگر چيزي دما داشته باشد، مي‌بايد با تابش انرژي همراه باشد. اگر چيزي انرژي تابش مي‌كند نمي‌توانيم بگوييم كه هيچ‌چيز از آن به بيرون گسيل نمي‌شود. اين برخلاف انتظاري بود كه از سياهچاله داشتيم: قرار نبود از سياهچاله چيزي بيرون بيايد!
هاوكينگ فكر مي‌كرد كه بكن‌شتاين دچار اشتباه شده است. او از سوء استفاده نامبرده در كشف اينكه افق رويداد هيچ‌گاه كوچكتر نمي‌شود، ناراحت بود. در 1972، هاوكينگ مقاله‌اي با همكاري دو فيزيكدان ديگر به نام جيمز باردين و براندو كارتر انتشار داد و در آن با اين موضوع اشاره كرد كه با وجود هماننديهايي كه بين ناحيه افق رويداد و آنتروپي وجود دارد. سياهچاله قاعدتاً نمي‌تواند آنتروپي داشته باشد زيرا چيزي نمي‌تواند از آن گسيل شود. بعداً معلوم شد كه او و همكارانش در اشتباه بوده‌اند.
در سال 1962 زماني كه هاوكينگ دوره فوق‌ليسانس را شروع كرد، انتخاب مطالعه علم كيهان شناسي با بررسي اجسام بسيار بزرگ را به مكانيك كوانتومي يا علم ذرات بسيار ريز ترجيح داد. اما در سال 1973 تصميم گرفت كه زمينه مطالعات خود را تغيير دهد و با ديد مكانيك كوانتومي موضوع سياهچاله را بررسي كند. اين اولين كوشش جدي و موفقيت‌آميز يكي از دانشمندان قرن بيستم، براي پيوند دو نظريه بزرگ اين قرن بود: نسبيت و مكانيك كوانتومي. چنان كه از قبل به خاطر داريم، اين پيوند، بار سنگين و مشكلي در راه نظريه همه چيز است. در سال 1973، هاوكينگ در مسكو با دو نفر از فيزيكدانان روسي به نام ياكو زلدوويچ و آلكساندر ستاروبينسكي مذاكره كرد. آنها او را قانع كردند كه اصل عدم قطعيت اين معني را دارد كه سياهچاله‌هاي چرخنده، ذراتي به وجود مي‌آورند و آنها را به بيرون گسيل مي‌كنند. هاوكينگ از نحوه محاسبه آنان در باره مقدار گسيل ذرات راضي نبود. او سعي كرد روش رياضي بهتري براي اين موضوع پيدا كند.
هاوكينگ انتظار داشت كه محاسبات او، تابشي را كه فيزيكدانان روسي پيشگويي كرده بودند، تأييد كند. چيزي كه او كشف كرد، موضوع بسيار شگفت‌انگيزتري بود: «من با شگفتي به اين نتيجه ناراحت كننده رسيدم كه حتي سياهچاله‌هاي غير چرخنده مي‌بايستي از خود ذراتي با آهنگ ثابت گسيل دارند». ابتدا فكر كرد كه محاسبات او بايد غلط بوده باشد و ساعات زيادي را به جستجوي اشتباه خود پرداخت. او به خصوص دنبال اين بود كه چرا جاكوب بكن‌شتاين به اين موضوع پي نبرده بود تا از آن به عنوان استدلالي براي ايده افقهاي رويداد و آنتروپي خودش استفاده كند. اما هرچه هاوكينگ راجع به اين موضوعات فكر كرد. بيشتر مجبور به پذيرش آن شد كه محاسبات او نبايد خيلي از واقعيت دور باشد. چيزي كه او را در اين زمينه به يقين واداشت، شباهت دقيق طيف تابش ذرات با طيفي بود كه از يك جسم داغ انتظار مي‌رفت.
فكر بكن‌شتاين درست بود: شما نمي‌توانيد با انداختن ماده حامل آنتروپي به سياهچاله، آن را مثل سطل آشغال در نظر بگيريد: آنتروپي را كاهش دهيد و نظم جهان را افزايش دهيد. زماني كه مواد حامل آنتروپي به سياهچاله ريخته مي‌شوند، مساحت افق رويداد افزايش مي‌يابد. آنتروپي سياهچاله زيادتر مي‌شود، پس جمع آنتروپي جهان در داخل و خارج سياهچاله هيچ كاهش نيافته است.
اما چگونه سياهچاله امكان داشتن دما و گسيل ذرات را دارد در حالي كه هيچ‌چيز نمي‌تواند از افق رويداد بگريزد؟ هاوكينگ پاسخ اين سوال را در مكانيك كوانتومي يافت.
اگر ما فضا را خلا فرض كنيم، راه درستي نرفته‌ايم. در اينجا مي‌خواهيم علت آن را بيابيم. اصل عدم قطعيت به اين معني است كه ما هيچ‌گاه نمي‌توانيم با دقت كامل، به طور همزمان، مكان و سرعت يك ذره را بداينم. معناي آن از اين هم بيشتر است: ما هرگز نمي‌توانيم كميت يك ميدان (به عنوان مثال: ميدان گرانشي يا ميدان الكترومغناطيسي) و آهنگ تغييرات آنرا همزمان، با دقت كامل تعيين كنيم. هر قدر كميت ميدان را با دقت بيشتر بدانيم، دقت ما در دانستن آهنگ تغييرات آن كاهش خواهد يافت و بالعكس، همچون الاكلنگ. در نتيجه، شدت يك ميدان هيچ وقت به صفر نمي‌رسد. صفر هم از نظر كميت و هم از نظر آهنگ تغييرات ميدان، اندازه‌گيري بسيار دقيقي خواهد بود كه اصل عدم قطعيت، آن را مجاز نمي‌داند. نمي‌توان فضاي خالي داشت، مگر اينكه تمام ميدانها دقيقاً صفر باشند: اگر صفر نباشند، فضاي خالي وجود ندارد.
به جاي فضاي خالي يا خلأ كامل كه اغلب ما تصور مي‌كنيم در فضا هست، مقدار حداقلي از عدم قطعيت، اندكي ابهام يا نامعلومي به صورتي داريم كه نمي‌دانيم مقدار ميدان در «فضاي خالي» چيست. اين افت و خيز در مقدار ميدان، اين لرزش اندك به سوي جوانب مثبت و منفي صفر را كه هرگز صفر نمي‌شود، مي‌توان به طريق زير تصور كرد:
زوجهايي از ذرات ـ زوجهاي فوتونها يا گراويتونها ـ مدام ظاهر مي‌شوند. دو ذره به صورت يك جفت در مي‌آيند و سپس از هم جدا مي‌شوند. پس از فاصله زماني بسيار كوتاه غيرقابل تصوري، آن دو ذره بار ديگر به هم مي‌رسند، و يكديگر را منهدم مي‌كنند حياتي كوتاه ولي پر ماجرا دارند. مكانيك كوانتومي به ما مي‌گويد كه اين واقعه هميشه و همه جا در فضاي «خلأ» روي مي‌دهد.
ممكن است كه اينها ذرات «واقعي» كه بتوانيم وجود آنها را با يك آشكارساز ذرات، تشخيص دهيم نباشند، ولي نبايد تصور كرد كه آنها ذرات خيالي هستند. حتي اگر آنها فقط ذراتي «مجازي» باشند، مي‌دانيم آثار آنها را روي ذرات ديگر تشخيص دهيم.
بعضي از اين زوجها، زوجهاي ذرات ماده يا فرميونها هستند. در اين حالت، يكي از ذرات زوج، پادذره ديگري است. «پاد ماده» را كه در بازيهاي خيالي و داستانهاي علمي تخيلي با آن آشنا هستيم، صرفاً تخيلي نيست. مي‌دانيم كه مقدار كل انرژي در جهان، هميشه ثابت و بدون تغيير است. انرژي نمي‌تواند از جايي به طور ناگهاني به جهان وارد شود. چگونه ما مي‌توانيم مسأله اين زوج تازه به وجود آمده را با اين اصل سازگار كنيم؟ اين زوجها، با «وام گرفتن» انرژي، به طور بسيار موقتي به وجود آمده‌اند. آنها به هيچ‌وجه دايمي نيستند. يكي از ذرات اين زوج انرژي مثبت و ديگري انرژي منفي دارد. تراز انرژي آنها برابر است. به مقدار انرژي كه در جهان وجود دارد، چيزي اضافه نشده است.
استيون هاوكينگ استدلال كرد كه زوج ذره‌هاي بسياري به طور غير منتظره، در افق رويداد يك سياهچاله به وجود مي‌ايند و از بين مي‌روند. بنابر تصور او، ابتدا يك زوج از ذرات مجازي ظاهر مي‌شود. قبل از آنكه اين زوج به يكديگر برسند و يكديگر را منهدم كنند، ذره‌اي كه انرژي منفي دارد از افق رويداد عبور كرده، وارد سياهچاله مي‌شود. آيا اين بدان معني است كه ذره با انرژي مثبت بايد همتاي بدبخت خود را، با هدف برخورد و منهدم كردن دنبال كند؟ نه. ميدان جاذبه در افق رويداد يك سياهچاله به قدر كافي قوي است كه با ذرات مجازي، حتي با ذرات بدبخت با انرژي منفي كار شگفت‌انگيزي مي‌كند: ميدان جاذبه مي‌تواند آنها را از « مجازي» به « واقعي» تبديل كند. اين تبديل، تغيير قابل ملاحظه‌اي در زوج به وجود مي‌آورد. آنها ديگر مجبور نيستند با يكديگر برخورد كرده و يكديگر را منهدم كنند. آنها مي‌توانند هر دو مدت بسيار طولانيتري، جدا از هم وجود داشته باشند. البته ذره با انرژي مثبت نيز مي‌تواند در سياهچاله بيفتد، ولي مجبور به چنين كاري نيست. او از مشاركت آزاد است، مي‌تواند بگريزد. براي يك مشاهده كننده از دور، به نظر مي‌آيد كه از سياهچاله بيرون آمده است. در حقيقت اين ذره، نه از بيرون،بلكه از نزديك سياهچاله مي‌آيد. در اين ضمن همتاي او انرژي منفي به سياهچاله وارد كرده است. تابشي كه به اين ترتيب از سياهچاله گسيل مي‌شود، تابش هاوكينگ ناميده مي‌شود. با تابش هاوكينگ، كه دومين كشف مشهور او در زمينه سياهچالهها بود، استيون هاوكينگ نشان داد كه اولين كشف مشهور او، قانون دوم ديناميك سياهچاله (كه مساحت افق رويداد هيچ‌گاه نمي‌تواند كاهش يابد)، هميشه استوار نيست. تابش هاوكينگ اين معني را مي‌دهد كه يك سياهچاله مي‌تواند كوچك شده و در نهايت كاملاً از بين برود، چيزي كه يك مفهوم واقعاً اساسي است.
چگونه تابش هاوكينگ يك سياهچاله را كوچكتر مي‌كند؟ سياهچاله، به تدريج كه ذره‌هاي مجازي را به واقعي تبديل مي‌كند انرژي از دست مي‌دهد. اگر هيچ چيز نمي‌تواند از افق رويداد بگريزد، چه‌طور ممكن است چنين چيزي روي بدهد؟ چه‌طور سياهچاله مي‌تواند چيزي از دست بدهد؟ به اين سؤال مي‌توان پاسخ زيركانه‌اي داد: زماني كه ذره‌اي با انرژي منفي اين انرژي منفي را با خود به سياهچاله مي‌برد، انرژي سياهچاله را كمتر مي‌كند. يعني منفي « منها» است كه مترادف كمتر است.
بدينسان، تابش هاوكينگ از سياهچاله انرژي مي‌ربايد. انرژي كمتر، كاهش جرم را به دنبال دارد. معادله اينشتين E = mc2 را به خاطر بياوريم. در اين رابطه، E انرژي، m جرم و c سرعت نور است. هنگامي كه انرژي (در يك سوي اين رابطه) كاهش مي‌يابد (كه در مورد سياهچالهها اين‌طور است)، يكي از كميتهاي طرف ديگر بايد كمتر شود. چون سرعت نور ثابت است، جرم بايد كاهش پيدا كند. بنابر اين موقعي كه ما مي‌گوييم انرژي از سياهچاله ربوده شده است، مثل اين است كه جرم از آن ربوده شده است.
به‌خاطر داشته باشيم و به ياد آوريم كه نيوتن درباره گراني چه چيزي به ما آموخت: هر تغيير در جرم جسم، مقدار كشش گرانشي آن را كه بر جسم ديگر اعمال مي‌كند، تغيير مي‌دهد. اگر جرم زمين كمتر شود (جرمش كمتر شود نه آنكه كوچكتر شود) كشش گرانش آن در مدار حركت ماه كاهش مي‌يابد. اگر سياهچاله جرم از دست بدهد، كشش گرانشي آن در جايي كه افق رويداد (شعاع بدون بازگشت) وجود دارد، كاهش مي‌يابد. سرعت گريز در اين شعاع كمتر از سرعت نور مي‌شود. در اين حال شعاع افق رويداد كوچكتر از شعاعي مي‌شود كه در آن سرعت گريز برابر با سرعت نور بوده است. در نتيجه افق رويداد منقبض شده است. اين، تنها راه توجيه كوچكتر شدن سياهچاله است.
اگر تابش هاوكينگ از يك سياهچاله بزرگ را كه در نتيجه رُمبش يك ستاره به وجود آمده است اندازه‌گيري كنيم، نااميد خواهيم شد. دماي سطح سياهچاله‌اي به اين بزرگي، كمتر از يك ميليونيم درجه بالاتر از صفر مطلق خواهد بود. هر قدر سياهچاله بزرگتر باشد، دماي آن كمتر است. استيون هاوكينگ مي‌گويد، «سياهچاله‌اي با جرم ده برابر خورشيد، ممكن است چند هزار فوتون در ثانيه گسيل دارد، ولي اين فوتونها طول موجي به اندازه سياهچاله خوهاند داشت و انرژي آنها آنقدر كم خواهد بود كه آشكارسازي آنها ممكن نيست». مطلب را مي‌توان اين‌طور بيان كرد: هرقدر جرم زيادتر باشد، سطح افق رويداد بزرگتر، هرچه سطح افق رويداد بزرگتر باشد، آنتروپي بيشتر است. هرچه آنتروپي بيشتر باشد دماي سطح و آهنگ گسيل كمتر است.
با اين حال، هاوكينگ، خيلي زود، در سال 1971 نظر داد كه نوع ديگري از سياهچاله وجود دارد: سياهچاله‌هاي خيلي ريز كه جالبترين آنها به انداز هسته اتم است. اين سياهچالهها به‌طور قطع منفجر مي‌شوند و تابش مي‌كنند. به ياد داشته باشيم كه هر قدر سياهچاله كوچكتر باشد، دماي سطح آن بيشتر است. هاوكينگ در مورد اين سياهچاله‌هاي بسيار ريز مي‌گويد: « اين سياهچالهها را به زحمت مي‌توان سياه ناميد: آنها در حقيقت داغ و سفيدند.»
-
پايان فيزيك - بخش دوازدهم
برگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and work نوشته Kitty Ferguson
گامي بلند
سياهچاله‌هاي آغازين كه هاوكينگ آنها را Primordial Black Holes مي‌نامد، از رُمبش ستارگان پديد نمي‌آيند. آنها بقاياي جهان نخستين‌اند. ما اگر مي‌توانستيم، ماده را به اندازه كافي بفشريم ممكن بود يكي از آنها را درست كنيم ولي توانايي آن را نداريم. اما در جهان بسيار نسختين، فشار آنقدر زياد بوده كه امكان آن وجود داشته است. بعضي از مواقع تنها مقدار كمي ماده فشرده شده است. در هر حال، اكنون يك سياهچاله بدوي، نسبت به زمان آغاز پيدايش آن بسيار كوچكتر است، زيرا در طول زمان طولاني مقداري از جرم خود را از دست داده است.
تابش هاوكينگ، براي سياهچاله‌هاي بدوي پيامدهاي حاد و بنيادي دارد. به تدريج كه جرم كمتر و سياهچاله كوچكتر مي‌شود، دما و آهنگ گسيل ذرات در افق رويداد زيادتر مي‌شود. سياهچاله خيلي سريعتر، جرم از دست مي‌دهد. هر قدر جرم كاهش مي‌يابد، دما زيادتر مي‌شود- يك دور تسلسل! هيچ‌كس نمي‌داند كه عاقبت آن چيست؟ هاوكينگ حدس مي‌زند كه سياهچاله كوچك، در يك حركت واپسين و انفجار گونه عظيم، ذرات گسيل داشته و ناپديد مي‌شود. قدرت اين شبه‌انفجار، معادل ميليونها بمب هيدروژني است. آيا يك سياهچاله بزرگ هيچ‌گاه منفجر خواهد شد؟ قبل از اينكه به اين مرحله برسيم، جهان مدتها پيش به پايان رسيده است.
فكر اينكه يك سياهچاله مي‌تواند كوچكتر شده و در نهايت منفجر شود، چنان در جهت مخالف نظريات كساني بود كه در 1973 در زمينه سياهچاله تحقيق مي‌كردند، كه هاوكينگ در باره كشف خود، سخت دچار ترديد شد. هفته‌ها او اين فكر را پنهان نگه داشت و محاسبات آن را در فكر خود مرور كرد. اگر براي او باور كردن اين واقعيت سخت بود، پيشگويي عكس‌العملي كه دنياي دانش مي‌توانست در اين زمينه داشته باشد، ترسناك به نظر مي‌آيد. هيچ دانشمندي، از چشم‌انداز مسخره شدن خوشش نمي‌آيد. از طرف ديگر، هاوكينگ مي‌دانست كه اگر انديشه او درست باشد، انقلابي در علم اختر فيزيك به راه خواهد انداخت.
هاوكينگ ابتدا اين فكر را با همكاران نزديكش مطرح كرد. پذيرش آن متفاوت بود. يك فيزيكدان كمبريج، نزد دنيس سياما كه هاوكينگ رساله دكتراي خود را زير نظر او انجام داده بود، رفت و با حالت شگفت‌زده به او گفت، « شنيديد؟ استيون همه چيز را تغيير داد». سياما، با پشتيباني از هاوكينگ نيروي تازه‌اي به او بخشيد و توصيه كرد كه هرچه زودتر، اكتشافات خود رامنتشر كند.
در اوايل 1974، هاوكينگ پذيرفت كه كشف عجيب و غريب خود را به صورت مقاله‌اي، در آزمايشگاه رترفورد- آپلتون در جنوب آكسفورد ارائه دهد. هنگامي كه به آنجا سفر مي‌كرد، هنوز واهمه داشت و براي اينكه اداعاي او زياد گستاخانه نباشد، يك علامت سؤال در جلوي عنوان مقاله «آياسياهچاله منفجر مي‌شود؟» قرار داد. اين كنفرانس كوتاه كه با نشان دادن اسلايدهايي از معادلات همراه بود با سكوت محترمانه ولي ناراحت كننده و چند پرسش روبه‌رو شد. استدلالهاي هاوكينگ، براي خيلي از شنوندگان كه در زمينه‌هاي ديگر تخصص داشتند، مشكل و نامفهوم بود. اما براي همه آشكار بود كه او چيزي را پيشنهاد مي‌كند كه با نظريه پذيرفته شده، كاملاً در تضاد است. آنهايي كه حرفهاي او را فهميدند، در برابر ديدگاههاي غير منتظره قرار گرفتند و آمادگي بحث و مجادله با او را نداشتند. چراغها به‌طور ناگهاني خاموش شد. گرداننده كنفرانس، يكي از استادان برجسته دانشگاه لندن، بلند شد و اعلام كرد: « استيون، معذرت مي‌خواهم ولي اين حرف‌ها مهمل محض است».
هاوكينگ، اين « مهملات» را ماه بعد در مجله علمي معتبر انگلستان نيچر منشر كرد و ظرف چند روز همه فيزيكدانان جهان در باره آن به بحث پرداختند. تعدادي از آنها، اين نظريه را مهمترين كشف فيزيك نظري در سالهاي اخير دانستند. سياما، اين مقاله را « يكي از زيباترين مقاله‌ها در تاريخ فيزيك» ناميد. ديدگاهها روشنتر شد. هاوكينگ از واكنشهاي ذرات مجازي براي تشريح چيزي كه از نظريه نسبيت برمي‌خواست، يعني سياهچالهها، استفاده كرده بود. او، گامي در راستاي پيوند نظريه‌هاي نسبيت و مكانيك كوانتومي برمي‌داشت ...
نابغه و خدا
چهار سال پس از آنكه هاوكينگها خانه خود را در ليتل سنت ماري‌لين خريده و تعمير كرده بودند، استيون هاوكينگ، ديگر قادر به بالا رفتن و پايين آمدن از پله‌ها نبود. خوشبختانه اكنون او يك فيزيكدان مهم شده بود و كالج كايوس بيش از سابق، در زمينه مسكن به آنها كمك مي‌كرد. كالج، به هاوكينگها يك آپارتمان وسيع در طبقه همكف يك ساختمان آجري، متعلق به كالج در وست‌رود پيشنهاد كردند كه از در عقب كينگز‌كالج چندان دور نبود. اين آپارتمان، سقفهاي بلند و پنجره‌هاي بزرگ داشت و براي اينكه براي رفت و آمد با صندلي چرخدار مناسب باشد به تغييرات محدودي نياز داشت. خانه، به استثناي يك محوطه پاركينگ سنگفرش شده در قسمت جلو، در ميان باغهايي واقع شده بود كه توسط باغبانهاي كالج نگهداري مي‌شد. براي فرزندان هاوكينگ، اين خانه، براي گذرانيدن دوران كودكي بسيار مناسب بود.
راه بين خانه و انستيتو در ده دقيقه طي مي‌شد. اين پياده‌روي از عقب خانه، از چمنزارها، راههاي پر از درخت، باغهايي دركنار رود كم رد مي‌شد، از ميان رودخانه مي‌گذشت و به مركز تاريخي شهر كمبريج منتهي مي‌شد. در اوايل 1970، استيون هاوكينگ اين راه را با صندلي چرخدار مي‌پيمود. او در مبارزه براي ايستادن روي پاهاي خود، شكست خورده بود. دوستان او را با تأثر مي‌نگريستند ولي هاوكينگ از نظر طبع شوخ و اراده راسخ، چيزي كم نداشت.
استيون و جين سعي مي‌كردند كه بيماري او را در پنهاني زواياي زندگي خودشان جاي دهند و نگذارند كه زندگي آنها را تحت تأثير قرار دهد. عادت كرده بودند كه به آينده نگاه نكنند. در انظار مردم دنيا، آنها به قدري در اين زمينه موفق بودند كه شنيدن صحبتهاي جين در باره مشكلات وحشتناكي كه گاهي اوقات با آن روبه‌رو بودند، آنها را شگفت‌زده كرده بود. جين در باره راه پر از افتخارات شوهرش مي‌گويد: « نمي‌توانم بگويم كه اين موفقيت عظيم ارزش آن را داشت كه آن بدبختيها را تحمل كنيم. فكر نمي‌كنم كه بتوانم نوسانات پاندولي را كه يك طرف آن اعماق سياهچاله و در طرف ديگر اوج جوايز پر از زرق وبرق قرار داشت، آشتي دهم». از مطالعه نوشته‌هاي استيون هاوكينگ در اين مورد، نمي‌توان پي‌برد كه او از اين اعماق آگاه بوده است. مي‌توان تصور كرد كه براي او صحبت كردن بدون مقدمه در اين زمينه، يعني حداكثر كاري كه مي‌توانست بكند، اقرار به شكست و باخت بود كه به عزم راسخ او براي ناديده گرفتن مشكلاتش لطمه مي‌زد.
جين هاوكينگ، سخت مي‌كوشيد تانيازهاي خانواده رو به گسترش و شوهر روي صندلي جرخدار خود را برآورده كند. او تمام وقت و انرژي خود را در راه تشويق او و اينكه با وجود بدتر شدن بيماريش بتواند به يك زندگي عادي ادامه دهد، وقف مي‌كرد. سعي مي‌كرد كه شوهرش بتواند به كار خود ادامه دهد و در عين حال فرزندان زندگي دوران كودكي خود را به‌طور عادي بگذرانند. تا 1974، او امور خانواده را تنها اداره مي‌كرد! پرستاري از شوهر، نگهداري از بچه‌ها‌و خانه‌داري بدون‌كمك از خارج.
در اواخر سالهاي دهه 80، جين هاوكينگ هنگامي كه از آن دوران صحبت مي‌كرد، توانايي خود را براي رويارويي با اين مسائل، طي سالهاي زياد، مديون ايمان به خدا مي‌دانست. او مي‌گفت: « بدون اين ايمان، من قادر به تحمل اين وضع نبودم. پيش از همه، قادر نبودم كه با استيون ازدواج كنم زيرا خوش‌بيني آن را كه در اين راه موفق شوم و به زندگي ادامه دهم، نداشتم».
شوهرش، نسبت به ايماني كه به اين طرز باشكوه روحيه جين را تقويت مي‌كرد، با او هم فكر نبود. اگر در رويارويي هاوكينگ با معلوليت و خطر مرگ زودرس او، جنبه‌هاي مذهبي يا فلسفي دخالت داشته است، او هيچ‌گاه در انظار عمومي از آن صحبت نكرده است. با وجود اين، از كتاب تاريخچه زمان اين‌طور برمي‌آيد كه خدا هيچ‌وقت از افكار او دور نبوده است. او به بك مصاحبه كننده گفت: «مشكل است بتوانيم از آغاز جهان بدون اشاره به مفهوم خدا بحث كنيم. كار من در باره آغاز جهان در خط مرزي بين علم و مذهب قرار دارد، ولي من سعي مي‌كنم كه در طرف علمي اين مرز باشم. كاملاً امكان دارد كه خدا به راههايي عمل كند كه با قوانين علمي توصيف‌پذير نباشد. اما در اين مورد هركس مي‌بايد بنابر اعتقاد شخصي خود پيش برود». در پاسخ به سؤال در مورد اينكه آيا او فكر مي‌كند علم او با مذهب در رقابت است مي‌گويد: اگر اين نگرش درست بود، نيوتن(كه مردي بسيار مذهبي بود) نمي‌توانست قانون گرانش را كشف كند.
هاوكينگ، منكر وجود خدا نيست ولي ترجيح مي‌دهد كه « از كلمه خدا به عنوان تجسمي از قوانين فيزيك استفاده كند.
«ما مخلوقات آنقدر ناچيزي بر سياره‌اي كوچك، از ستاره‌اي بسيار متوسط، در حوالي صدها هزار ميليون كهكشان هستيم. بنابراين مشكل است بتوان به خدايي عقيده داشت كه ما براي او اهميت داشته باشيم و يا حتي به وجود ما توجه داشته باشد».
اينشتين با هاوكينگ در اين زمينه همگرايي داشت. اشخاص ديگر احتمالاً با جين هاوكينگ موافق بوند و اين انديشه را ديد نسبتاً محدودي از مفهوم خدا مي‌دانستند. آنها باور اين نكته را نيز مشكل مي‌دانستند كه همه اشخاص عقل‌گرا و باهوش (از جمله دانشمنداني كه در ميان آنها هستند) كه خدايي شخصي را تجربه كرده‌اند، به نوعي فريب خورده باشند. آنها با نقل گفته معروفي از هاوكينگ كه « اگر او (خدا) نيست، پس واقعاً بيگانه‌اي در كار است!» تعبير مي‌كردند كه چه‌طور مي‌توانيم، به راستي، آن را توضيح دهيم؟ پاسخ هرچه باشد، اين اختلاف فاحش در نگرش را نمي‌شد جالبتر از آنچه در ديدگاههاي جين و استيون هاوكينگ وجود دارد، نشان داد. جين به ياد مي‌آورد كه: «براي من اظهار نظر استيون مبني بر اينكه او به رابطه شخصي با خدا اعتقاد ندارد، بسيار آزار دهنده بود». او در مصاحبه‌اي در سال 1988 گفت « استيون در قلمروهايي كندوكاو مي‌كند كه براي افكار عمومي اهميت دارد و به طريقي است كه مي‌تواند آثار ناراحت كننده‌اي بر مردم داشته باشد». « يكي از جنبه‌هاي فكر او كه همواره مرا بيشتر آزار مي‌دهد و كنار آمدن با آن براي من دشورا است، اين احساس بود كه چون همه چيز با عقل و فرمول رياضي بيان مي‌شود، بايد اين چيزها حقيقت باشد». به نظر جين در افكار استيون جايي براي امكان اين موضوع وجود ندارد كه حقيقتي كه از بطن رياضيات او آشكار مي‌شود، ممكن است تمام حقيقت نباشد. يك‌سال بعد، جين طرز تفكر خود را تا اندازه‌اي تغيير داد: « به تدريج كه سن انسان بالا مي‌رود، آسانتر مي‌توان به ديد وسيعتري دست يافت. من فكر مي‌كنم كه ديدگاه استيون به علت حال و شرايط او با ديدگاه هر شخص ديگر تفاوت دارد ... او نابغه‌اي است كه تقريباً به‌طور كامل فلج شده است ... هيچ‌كس نمي‌تواند بداند كه نظر او در باره خدا و رابطه‌اش با خدا چگونه است».
-
نقدي بر پايان فيزيك نوشته هاوكينگ
انصافاٌ هاوكينگ در توضيح مطالب پيچيده و بغرنج فيزيك به زبان ساده مهارت خاصي دارد. بهمين دليل آثار عمومي ايشان از استقبال چشم گيري برخوردار است. علاوه بر آن نام هاوكينگ به دليل در دو كار جالب در مورد سياه چاله ها جاودان خواهد شد. يكي تكينگي و ديگري تبخير سياه چاله ها. اين دو مورد زمينه ي يك بحث فراگير جهاني را بين فيزيكدانان فراهم كرد. هرچند به اعتراف خود هاوكينگ در كتاب تاريچه زمان از فيزيكدانان روسي الهام گرفته بود، اما اين هاوكينگ بود كه با محاسبات و معادلات رياضي توانست توجه فيزيكدانان را به آن جلب كند. اين نوشته نقدي است بر مقالات پايان فيزيك كه در سايت هوپا منتشر شد و مجموع آنها در اينجا و بطور يكجا فرهم شده است. در اين نوشته برخي نكات مهم نوشته هاوكينگ مورد بحث قرار مي گيرد.
هاوكينگ:
ذرات مادي رو كه همگي مي‌شناسيم. پروتونها و نوترونها در هسته اتم و الكترونها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم رو به‌نام كلي فرميونها مي‌شناسيم. فرميونها يك سيستم پيام‌رساني دارند كه بين آن ذرات رد و بدل شده و به راههاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتي در آنها مي‌شود. اين سرويس‌ها را نيرو مي‌ناميم. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميونها و در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. اين ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزون ناميده مي‌شوند. پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون.
نظريه سي. پي. اچ. :
همه ي ذرات اعم از فرميونها و بوزونها از ذرات واحدي تشكيل شده اند كه آن سي. پي. اچ. يا CPH, Creation Particle Higgs مي ناميم. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر اثر دارند و اين اثر بصورت توليد اسپين براي آنها نمودار مي شود. سي. پي. اچ. ها پس از آنكه داراي اسپين شدند، با يكديگر ادغام شده و كوانتومهاي انرژي را به وجود مي آورند. اين كوانتومهاي انرژي در فراينهاي فيزيكي به زوج هاي ماده و پاد ماده تبديل مي شوند. در واقع بوزونها و فرميونها از ذرات واحدي تشكيل مي شوند كه سي. پي. اچ. ناميده مي شود. اگر ما ديدگاه خود را از مورد نيرو و انرژي تغيير دهيم و اين دو را هم ارز بدانيم (كه در حقيقت هم ارز هم هستند) آنگاه مي توانيم دليل تاثير بوزنها بر فرميونها و همچنين تاثير بوزونها را بر يكديگر توضيح دهيم.
هاوكينگ:
گفتيم كه سرويس‌هاي پيام‌رسان 4گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش هست. نيروي گرانش را كه ما را روي زمين نگه مي‌دارد، مي‌توانيم مثل پيامي در نظر بگيريم. حامل اين پيام نوعي بوزون هست كه گراويتون ناميده مي‌شود. گراويتونها حامل پيامي بين ذرات اتم‌هاي بدن ما و ذرات اتم‌هاي زمين هستند و به ذرات مذكور مي‌گويند كه به‌هم نزديك شوند.
نظريه سي. پي. اچ. :
هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي اسپين است، گراويتون ناميده مي شود.
هاوكينگ:
نظريه‌ها
نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.
مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميونها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت (تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.
يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.
اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. قبلاْ ديديم كه شما مي‌توانيد نيرويي را كه شما را روي زمين نگه مي‌دارد، مثل تبادل گراويتونها(همان پيام‌رسان‌هاي گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، در نظر بگيريد. در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما چون همه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسيار بغرنج مي‌شود. بي‌نهايت‌هايي حاصل مي‌شوند كه خارج از مفهوم رياضي معنايي ندارند. نظريه‌هاي علم فيزيك واقعاْ نمي‌توانند با اين بي‌نهايت‌ها سر و كار داشته باشند. آنها اگر در نظريه‌هاي ديگر يافت شوند، تئوريسين‌ها به روشي كه آن را ريترماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين باره مي‌گويد: اين كلمه هر چقدر زيركانه باشد، باز من آن را يك روش ديوانه‌وار مي‌نامم. خود او هنگامي كه روي نظريه‌اش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كار مي‌كرد، از اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.
استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش كه هاوكينز در خطابه لوكاشين خود بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه در ا» اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.
نظريه سي. پي. اچ. :
مشكل اصلي در فيزيك اين است كه تلاش مي كنند اين دو نظريه، يعني مكانيك كوانتوم و نسبيت را با يكديگر سازگار سازند. در حاليكه با توجه به اصل هم ارزي نيرو و انرژي نياز به تلاش زيادي نيست تا نسبيت و مكانيك كوانتوم با يكديگر سازگار شوند. در واقع بايستي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را همزمان و با توجه به اصول و قوانين شناخته شده ي علمي كه از نظر تجربي نيز تاييد شده مورد بررسي مجدد قرار داد. براي اينكار بايستي تعريف جديدي از انرژي ارائه داد و با توجه با اين تعريف ساختمان فوتون را تعريف كرد. با چنين نگرشي بينهايت هاي مشكل ساز بسادگي برطرف خواهند شد. بينهايت هاي موجود و مشكل ساز ناشي از نگرش موجود در مكانيك كوانتم به درات است كه ساختمان ذراتي نظير فوتون و الكترون را قابل بررسي نمي داند. ابرريسمانها نيز قادر به ارائه ي راه اساسي نخواهند بود. زيرا در نظريه ريسمانها، يك ريسمان يك واحد بسيار كوچك انرژي است. اما در اين نظريه هم نگرش نويني به انرژي ديده نمي شود. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. كار را با يك نگرش نوين و انقلابي از خود انرژي آغاز مي كند.
هاوكينگ:
راه ديگر
از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكار گيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟
همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت (Uncertainty principle) نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ در ادامه خواهيم ديد كه استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به چه نتايج شگرفي دست يافته است.
سياهچالهها سياه نيستند!
شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم، يكي ديگر هم اضافه كنيم:
فضاي خالي، خالي نيست
در ادامه خواهيم ديد كه چگونه مي‌توان به اين نتيجه رسيد. فعلا همينقدر بدانيم كه اصل عدم قطعيت بدان معني است كه فضا مملو از ذره و پادذره است!
نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد كـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.
اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم:
1- فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آنها مقداري عظيم يا مقداري بينهايت از انرژي است.
2- وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا-زمان مي‌شود.
نظريه سي. پي. اچ. :
به جاي آنكه اصل عدم قطعيت را به نسبيت تعميم دهيم، بايد به اين نكته ي بسيار مهم توجه كنيم كه همه ي جهان از كوانتوم ها (انرژي، اتم، ذرات زير اتمي) تشكيل شده اند. بنابراين همان قوانيني را كه بر اين ذرات حاكم است مي توانيم به تمام جهان تعميم دهيم. در نظريه سي. پي. اچ. فضا از سي. پي. اچ. انباشته شده است. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر كار انجام مي دهند و كوانتوم هاي انرژي را توليد مي كنند. در مكانيك كوانوتم هيچ توضيحي وجود ندارد كه چرا فضا از فضا از ماده و پاد ماده انباشته شده است و تنها اصل عدم قطعيت مجوز آن را صادر كرده است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. ضمن توضيح كافي براي آن، دليل اينكه چرا در فضا ماده وجود دارد يا فضا به توليد ماده و پاد ماده مي پردازد ارائه مي شود.
همچنين در نسبيت عام با توجه به اصل هم ارزي فضا داراي انحنا است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. انحناي فضا كاملاً توجيه شهودي دارد. همين دلايل شهودي و ملموس نشان مي دهد كه فضا باايستي داراي انحنا باشد و ميزان انحناي فضا نيز تابع چگالي سي. پي. اچ. در فضا است.
هاوكينگ:
نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دو نظريه‌هاي فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترين دستاوردهاي فيزيك در قرن گذشته هستند. از اين دو نظريه نه‌تنها براي هدف‌هاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي، به‌نحوي درخشان استفاده مي‌شود. با وجود اين اگر آنها را با هم در نظر بگيريم، نتيجه همانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است. نظريه همه چيز بايد به‌نحوي اين بي‌معنا بودن را حل كند.
نظريه سي. پي. اچ. :
نظريه همه چيز با گذشت سالهاي متمادي و كار مداوم فيزيكدانان روي آن هنوز نتوانسته اين مشكل را حل كند. زيرا همچنانكه گفته شد، بدون توجه به هم ارزي نيرو و انرژي اين مشكل قابل حل نخواهد بود.
ويژگيهاي برجسته نظريه سي. پي. اچ
در اين نظريه بر خلاف نظريه ريسمانها مي توان علت ثابت بودن سرعت نور و مسير منحي شكل نور را در ميدانهاي گرانشي توضيح داد.
در واقع:
نظريه سي. پي. اچ. هر سه نظريه ي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتومي و نسبيت را پوشش مي دهد.
بسياري از پديدهاي فيزيكي كه نظرات قديمي و حتي نظريه ريسمانها قادر به توضيح انها نيستند، در نظريه سي. پي. اچ. بسادگي قابل توضيح دادن است.
منشاء زمان و شرايط پيدايش جهان قابل مشاهده (بينگ بنگ) توضيح داده مي شود.
در فيزيك تا به حال همواره از تاثير نيرو بر اجسام صحبت مي شود. نظريه سي. پي. اچ. اولين نظريه اي است كه از تاثير اجسام بر نيرو سخن مي گويد.
نظريه سي. پي. اچ. فيزيك را از حالت يك دانش پيچيده و خشك، به صورت يك دانش ساده و شهودي در آورده است.
از زمان مطرح شدن نظريه ريسمانها به دليل آنكه توان توضيح پديده ها را با همان ده بعدي كه در آغاز بيان كرده بود نداشت، دائم بر تعداد ابعاد آن افزوده مي شود و امروزه تلاش مي شود با بيست و شش بعد به توضيح جهان بپردازد. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. نيازي ندارد ابعاد اضافي را بكار گيرد.
در ساختار كلان حهان همان قانوني حاكم است كه در كوچكترين واحدهاي كميت هاي طبيعت حاكم است. يعني قوانين جهان ميكروسكپي را مي توان به جهان ماكروسكپي تعميم داد و اين كاري است كه نظريه سي. پي. اچ. انجام داده است.
اميد است نظريه ي سي. پي. اچ. بتواند در گسترش بحثهاي علمي در دانشگاه هاي كشور موثر واقع شود. گسترش بحث و تبادل نظر در زمينه هاي علمي مي تواند در نهادينه شدن گفتمان منطقي در جامعه مفيد باشد. به متن سخنراني در سمينار فيزيك مراجعه فرماييد.
منبع :
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
