مباحثي در مورد پايان فيزيك...

[Borna66]

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.»

[Borna66]

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».

[Borna66]

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.