Persian CPH E-Book

Theory of CPH

Section Eight

Realization Hawking End of Physics by CPH 

نقدی بر دیدگاه های هاوکینگ

توضیح: مطالبی که در اینجا تحت عنوان دیدگاه سی. پی. اچ. بیان شده، توضیحی از نظریه سی. پی. اچ. است. برای مطالعه ی نظریه به فصول قبل مراجعه کنید.  

استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين

در 29 آوریل 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 رياضي برقرار شده بود. اين پروفسور استفن ويليام هاوكينگ رياضي‌دان و فيزيك‌دان 38 ساله بود. كرسي لوكاشين يك مقام آكادميك ممتاز است که زماني سر آيزاك نيوتن عهده‌دار آن بود.

 عنوان خطابه یک سئوال بود: آيا دورنمای پايان فيزيك نظري ديده مي‌شود؟

 و هاوكينگ با اعلام اين که پاسخ او به اين سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده كرد. او از حضار دعوت كرد تا به او بپيوندند و گريزی 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.

هاوكينگ همواره در تلاش براي دستيابي به پاسخ اين سوال اصلي كيهان‌شناسي بوده است که اين جهان ازكجا 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 درهم 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؟

دیدگاه سی. پی. اچ.

این که آیا دست یابی به یک تئوری برای همه چیز امکان پذیر است یا نه، بستگی به این دارد که ما از این تئوری چه انتظاری داشته باشیم. اما تا جاییکه به آغاز و پایان جهان مربوط می شود، یعنی تئوری همه چیز توضیح دهد که آغاز جهان چگونه بوده و سرانجامش چه خواهد شد، باز هم بستگی به این دارد که ما از  آغاز جهان را از نظر مکانی و زمانی چه تصوری داشته باشیم. اما قبل از تلاش برای یافتن پاسخ این سئوال باید ببینیم که آیا جهان محدود به شعاع دید امروزی ما (همراه با ابزارهایی که امروزه به نعمت تکنولوژی از آنها استفاده می کنیم) هست یا نه؟

در اوائل قرن بیستم، جهان قابل رویت اگر فراتر از کهکشان راه شیری هم بود، انبوه کهکشانها و کوزارها قابل تصور نبود. چه تضمینی وجود دارد که ابزارآلات امروزی ما در 50 سال دیگر در مقایسه با ابزارآلات آنروزی مانند زمان گالیله به عصر هابل نباشد؟  

هرچند هیچ دلیلی ندارد که تکنولوژی فردا جهان قابل رویت را با سرعت اعجاب انگیزی گسترش ندهد، اما دلیلی هم نداریم که جهان قابل دید، گسترش زیادی بیابد. لذا با توجه به مشاهدات امروزی بایستی نظریه های خود را پی ریزی کنیم.

حال به این سئوال هاوکینگ برگردیم که می گوید:" اين جهان از كجا آمده و به كجا مي‌رود؟" پاسخ سی. پی. اچ. به این سئوال صریح و روشن است، جهان از جایی نیامده و به جایی هم نمی رود. جهان از سی. پی. اچ. ها ساخته شده که هیچ لحظه ای از عمر آنها نمی گذرد. سی. پی. اچ. ها در یک سیاه چاله برو میریزند، سیاه چاله مطلقی را بوجود می آوردند، سیاه چاله ی مطلق منفجر می شود و جهانی بوجود می آید.

از دید نظریه سی. پی. اچ.، این سی. پی. اچ. ها قطعات اولیه (سنگ بنای) همه چیزند. خود ساعت نیستند که زمانی را نشان دهند، اما همه ی ذرات و اجسام موجود جهان را شکل می دهند و آنها را بمنزله ی یک ساعت بوجود می آورند. پس هر چیزی در این جهان یک ساعت است. در لحظه ای خاص ساعتی شکل می گیرد، تیک تاک هایش شنیده می شود و در لحظه ای دیگر متلاشی می شود و عمرش به پایان می رسد و سی. پی. اچ. های سازنده ی آن در مکانی دیگر ساعت جدیدی را بوجود می آورند و این داستان مکرر همچنان ادامه خواهد داشت.

و جهان قابل رویت نیز یک ساعت است، نه کمتر و نه بیشتر. و ما (هر انسانی) خود ساعتی است که در دل ساعت بزرکتری تیک تاک می کند.

شاید این سئوال که جهان از کجا آمده و به کجا می رود، ناشی از همین باشد که من (ساعت) در لحظه ای بوجود آمدم و دنبال یافتن پاسخ این سئوال بودم که از کجا آمده ام، به کجا خواهم رفت و آمدنم از بهر چه بود. و قیاس به نفس است که آدمی، این ذره ی کوچک جهان هستی، می خواهد همه چیز را با خود مقایسه کند و همه ی جهان را توضیح دهد. اصولاً همه دیدگاه ما نسبت به هستی ناشی از همین (خود ساعت بودن) است. ساعتی که همه چیز را ساعت می بیند. این دید از نظر سی. پی. اچ. درست است که همه چیز یک ساعت است، اما اجزای همه این ساعتها یکی است (سی. پی. اچ. ها) که خود ساعت نیستند و هیچ لحظه ای از عمر آنها نمی گذرد. و جهان هستی (نه جهان قابل مشاهده) نیز ساعت نیست و هیچ لحظه ای از عمر آن نمی گذرد. اما جهان قابل مشاهده نیز ساعتی است که خود روزی از تیک تاک باز خواهند ماند

هاوکینگ - قواعدي پشت قواعد ديگر

ذرات مادي را كه همگي مي‌شناسيم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم را 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 مي‌شوند.ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميون‌ها در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزون ناميده مي‌شوند. پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون است يا بوزون.

سرويس‌هاي پيام‌رسان 4 گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش است. حامل اين پيام نوعي بوزون است كه گراويتون ناميده مي‌شود. نيروي دوم يا نيروي الكترومغناطيس پيام‌هايي است 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.

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. فيزيك‌دان‌ها تا حدودي با موفقيت سعي كردند نوعي يگانگي بين نيروها را 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. نيز موجب يگانگي فرميون‌ها و بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيك‌دان‌ها اين نظريه را نظريه يگانگي (اتحاد نیروها) نام دادند. اين نظريه بايد دنيا را توجيه كند. يعني نظريه همه چيز بايد يك قدم پيش‌تر برود و به اين سوال پاسخ دهد: دنيا در لحظه آغاز قبل از اين كه زماني بگذرد، چگونه بوده است؟

یا به عبارت دیگر: 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 شرایط 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� دست پيدا كنند.

دیدگاه سی. پی. اچ.

زمانیکه انیشتین تلاش کرد یک اتحاد بین نیروها بوجود آورد (دهه ی 1920) بحث نیروها از نظر کمی و کیفی به این صورت نبود. در آنزمان تنها نیروهای گرانش و الکترومغناطیس مطرح بودند و علاوه بر آن به نیرو به عنوان یک ذره تبادلی (پیام رسان) نگریسته نمی شد. اتحاد نیروها (هر چهار نیرو) یا یافتن یک ابر نیرو هرچند با موفقیت هایی همراه بوده، اما تا به حال به نتیجه ی رضایت بخشی نرسیده است. از دیدگاه سی. پی. اچ. اشکال در این است که به این مورد خاص توجه نمی شود که فرمیونها، خود بوزونها را تولید می کنند. همچنین بوزونها نیز به نوبه خود، فرمیونها را بوجود می آورند. توجه به این نکته ی مهم، خود می تواند توضیح دهد که جهان قابل مشاهده در آغاز چگونه بوده است. با این دیدگاه می توان دو مسئله ی جدا از هم، یعنی ابر نیرو و اینکه شرایط مرزی چکونه بوده است را به یک مسئله تقلیل داد و برای آن به پاسخ مناسب رسید. مسئله این است که چه عاملی شرایط مرزی را بوجود آورد؟ از دیدگاه سی. پی. اچ. شرایط مرزی ناشی از اسپین سی. پی. اچ. است که در سیاه چاله ی مطلق اسپین سی. پی. اچ. به حداکثر خود می رسد و عامل انفجار می گردد و این روند مکرر است و ادامه خواهد داشت.  

هاوکینگ - 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) ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده است.يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطوركه 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 (گراویتون) در نظر بگيريم، در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود، اما با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. 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 ریترماليزيشن 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 نيرويالكترومغناطيسي 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 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 هاوكينز بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه درآن اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است

دیدگاه سی. پی. اچ.

چرا باید با همان دید سنتی (اعم از کلاسیکی یا موانتومی) به مسئله نگاه کنیم؟ واقعیت این است که شواهد نظری و تجربی زیادی وجود دارد که نشان می دهد فرمیونها و بوزون ها دو جلوه ی متفاوت از یکدیگرند. بوزنها فرمیونها را تولید می کنند و فرمیونها نیز تولید کننده ی بوزونها هستند. در مکانیک کوانتومی (دیدگاه سنتی) بوزون فوتون که حامل نیروی الکترومغناطیسی است، بین ذرات باردار رد و بدل می شود. در حالیکه از دیدگاه سی. پی. اچ. بارهای الکتریکی دائماً فوتون مجازی (بوزونی که نیروی الکتریکی را حمل می کند)  را تولید و در فضا منتشر می کنند. مواد اولیه این تولید، گراویتونها (بار-رنگها) هستند.

ذرات بار با تولید و انتشار فوتون (بوزون) یک میدان الکتریکی در اطراف خود ایجاد می کنند. این میدان از ذرات حامل نیروی الکتریکی پر شده که به دلیل خواص الکتریکی که دارند بطرف بار مخالف خود حرکت می کنند. بار الکتریکی مخالف آن را جذب می کند، ولی بقای آن تهدید می شود. لذا فوتون دریافتی را به بار-رنگها تجزیه کرده و منتشر می کند. خاصیت بار-رنگی موحب کشش بار الکتریکی می شود. لذا در حد زیر کوانتومی که نکاه جدیدی است به مفاهیم بنیادی طبیعت، ذرات باردار تولید کننده و منهدم کننده ی فوتونهای مجازی (حامل بار الکتریکی) هستند.

از این نقطه نظر، گراویتون هم یک بار-رنگ است و در نتیجه همان خواص الکتریکی از خود بروز می دهد. لذا نیازی به استفاده از بازبهنجارش ها نیست. تنها کافیست دیدگاه خود را نسبت به بارهای الکتریکی و کنش بین آنها تغیی دهیم و در نهایت به این نتیجه خواهیم رسید که گرانش (گراویتون) همان فوتون (بوزون حامل نیروی الکتریکی) است در مقیاس بسیار ضعیتر.   

هاوکینگ- 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 که گفتیم طبق اصل عدم قطعيت نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت.آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به 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 نیست

نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد که 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 که 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، نتیجه همانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است. نظريه همه چيز بايد به‌نحوي اين بي‌معنا بودن را حل كند.

دیدگاه سی. پی. اچ.

باز این نگرش سنتی به فیزیک است که مشکل ساز می شود. ما به یک نظریه نیاز داریم که دو مسئله را در این زمینه توضیح دهد. یکی انحنای فضا و دیگری نگرش کوانتومی به فضا-زمان و انباشت انرژی در فضا. از دیدگاه کوانتومی و بهره گیری از اصل عدم قطعیت به این نتیجه می رسیم که فضا از ماده و پاد ماده انباشته است. چرا توضیح جدیدی را برای انرژی در فضا جایگزین نگرش سنتی نکنیم؟

واقعیت این است که فضا از بار-رنگها (گراویتون) انباشته است که نیروی گرانشی را حمل می کنند. این بار-رنگها به دلیل خضیت بار-رنگی که دارند، با هم ترکیب می شوند و کوانتومهای انرژی را تولید می کنند. همین خواص بار-رنگی آنها است که بر پرتو نوری اثر گذاشته و مسیر آن را خمیده می کنند. اما میزان تاثیر آنها بر مسیر پرتو نوری، تابع چگالی آنها در فضا است. در اطراف اجرام بزرگ، چگالی بیشتر و در فضای بین ستارگان، چگالی کمتر است.

همچنین برای توضیح تولید ماده و پادماده در فضا از نیازی نیست که آن را در سایه اصل عدم قطعیت توجیه کنیم. بلکه می توانیم مستقیما به خواص بار-رنگها مراجعه کرده، هم انحنای فضا را توضیح دهیم و هم اینکه تولید ماده و پاده را.

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 ایالت 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

دیدگاه سی. پی. اچ.

از نظر سی. پی. اچ. تئوری ما تنها می توانیم روایط بین پدیده ها را توضح دهیم. بنابراین می توانیم حدس بزنیک که وجود دنیاهای دیگر امکان پذیر است. اما لزوماً این معنای آن نیست که بتوانیم تمام ساعت هایی را که در آنجا بکار افتاده اند (توجه شود که از نظر سی. پی. اچ. تئوری هر چیزی در جهان یک ساعت است) را پیش بینی کنیم و آهنگ آنها را نیز بدانیم. از دیدگاه سی. پی. اچ. تئوری ما حتی نمی توانیم جهان خودمان را نیز به همان صورت که هست ببنیم. می دانیم مشاهدات ما از جهان کذشته ی آنها را نشان می دهد نه حال را. زیرا نور مسیری را که طی می کند تا به برسد، زمان می برد، پس نور از گذشته جهان آمده و امروز به ما رسیده است. حال سئوال این است که آیا نوری که از یک کهکشان ساطع شده و میلیاردها سال در حرکت بوده، در طول مسیر دست خوش هیچگونه تغییری نشده است؟ زمانی ما می توانیم با صراحت و اطمینان به این سئوال پاسخ دهیم که همه چیز را در مورد نور بدانیم و حتی ساختمان آنرا نیز توضیح داده باشیم. اینکه نور در میدان گرانشی تغییر انرژی دارد، خود دلیل بر آن است که نور یک پیام بسیط نیست که از کهکشان بما می رسد، بلکه دست خوش تغییر قرار می گیرد. سئوال این است که اگر فوتون را یک ساعت در نظر بگیریم، آیا تمام تیک تاکهای آن تنها تحت تاثیر عوامل خارجی است، یا عوامل داخلی که ناشی از ساختمان فوتون است نیز بر آن اثر دارد یاخیر؟

هرچند که از نظر مکانیک کوانتومی فوتون یک ذره فاقد ساختمان است، اما در مکانیک کوانتوم نیز پدیده هایی توضیح داده می شوند(از جمله اثر موسذوئر، اثر کامپتون...) که نشان می دهد نمی توان از توجه به ساختمان فوتون غافل شد. لذا از دیدگاه سی. پی. اچ. ما تنها نمی توانیم همه ی شرایط جهانی را که ندیده ایم پیش گویی کنیم، بلکه حتی قادر نیستیم جهان خودمان را نیز بهمان گونه که هست ببینیم. اما می توانیم بگوییم که چه نوع ساحت هایی در جهانی دیگر امان وجود دارند. و این ساعت ها چه تاثیری روی هم می گذارند. پیش گویی ما در همین حد است.

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.    

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.

دیدگاه سی. پی. اچ.

بجای حدس و گمان که آیا رسیدن به نظریه همه چیز به معنی کامل آن که همه چیز را توضیح دهد و همه ی رویدادها را پیش گویی کند، امکان پذیر است یا نه، بهتر است نگاهی به نظریه هایی که تا بحال مطرح شده بیاندازیم و ببینیم که می توانیم از آنها کمک بگیریم یا نه؟

تجربه نشان می دهد که هر نظریه ای در بدو مطرح شدن، ابهاماتی را با خود همراه دارد که قادر به توضیح همه ی آنها نیست. مکانیک کلاسیک و نسبیت و مکانیک کوانتوم که بزرگترین نظریه ها هستند نیز بهمین گونه بوده اند. این ابهامات زمینه ی تلاش و تحقیق آتی را فراهم می سازند تا برای یک نظریه ی کاملتر کوشش کنیم. سئوال اصلی این است که آیا می توان نظریه ای داد که با ابهام و نارسایی همراه نباشد؟

اگر چنین نظریه ای وجود داشته باشد و ما بتوانیم آنرا ارائه دهیم، دیگر ابهامی وجود نخواهد داشت که زمینه ی تلاش برای ارائه ی یک نظریه ی کاملتر را فراهم کند. تنها می ماند اینکه چگونه می توانیم کاربردهای نظریه را کشف و مورد استفاده قرار دهیم. و این یعنی نقطه ی پایان برای ارائه ی نظریه هایی کاملتر. آیا بشر چنین توانی دارد؟

این سئوال را نمی توان در چارچوب یک بحث علمی پاسخ داد، بلکه در محدوده ی بحث های فلسفی و باورهای فلسفی است که بیشتر جنبه اعتقادی دارد تا علمی و تحقیقاتی.

هاوکینگ - از گرانش و نور چه مي‌دانيم؟

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. 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. 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. 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. هر قدر جرم زيادتر باشد، جاذبه شديدتر خواهد بود.

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، 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 نخواهد بود.

بنابراین 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 خود آن چيزها بين يكديگر. توصيف جهان در سه بعد همان قدر ناكافي است كه بخواهيم يك مكعب را در دو بعد توصيف کنیم.بسيار پرمعني‌تر خواهد بود كه بعدی به‌نام زمان را به ابعاد ديگر اضافه كنيم. يعني بپذيريم كه در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضا ـ زمان بپردازيم.

دیدگاه سی. پی. اچ.    

در اینجا دو نکته قابل توجه وجود دارد، اول آیا در توجیه و توضیح گرانش ما دارای یک نظریه رضایت بخش هستیم یا نه؟ توضیحات بالا در مورد گرانش از دید مکانیک کوانتوم و نسبیت نشان داد که هنوز از چنین پایگاه معتبر نظری برخوردار نیستیم. اما می دانیم که گرانش بر نور تاثیر دارد. این تاثیر که در نسبیت پیش گویی شد، در مکانیک کوانتوم هم پذیرفته شده  است و با تجربه نیز سازگار است. حرکت نور از خورشید تا زمین در فضایی آکنده از گرانش انجام می شود.

دوم اینکه در نسبیت خاص هیچ پیزی نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند، آیا شامل گرانش (یا از دیدگاه کوانتومی شامل گراویتون) هم می شود یا خیر؟ زمانی می توانیم به این سئوال جواب قطعی بدهیم که سرعت گرانش را اندازه گرفته باشیم که آن هم هنوز انجام نشده است.

اما دیدگاه نظری و شواهد تجربی قوی وجود دارد که نور و گرانش نه تنها بر یکدیگر تاثیر می گذارند، بلکه هر دو به یکدیگر قابل تبدیل هستند. جابجایی بسمت سرخ گرانش نشان می دهد که فرکانس فوتون هنگام ترک کردن یک سیاه چاله بسمت صفر میل می کند، یعنی همه ی انرژی خود را از دست می دهد. این بحثی است که نظریه سی. پی. اچ. بطور مفصل آن را مورد بررسی قرار داده و نشان داده که فوتون خود از ذرات زیر فوتونی بار-رنگها (گراویتونها) تشکیل می شود. سرعت این بار-رنگها (مسیر طی شده در واحد زمان نسبت به دستگاه لخت) بیشتر از سرعت خطی فوتون است. بنابراین به این نتیجه می رسیم که وقتی نسبیت می گوید هیچ چیز نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند، الزاماً شامل گراویتون (آثار گرانشی) نمی شود.

لازم به تکرار است تا زمانیکه ما ساختمان فوتون را نشناخته ایم، با معماهای بسیاری روبرو هستیم که نمی توانیم به آنها پاسخ مناسب بدهیم. اما در مورد سه بعد فضا و یک بعد زمان، باید در نظر داشت که خود فضا از گرانش (گراویتونها) انباشته شده است. تا زمانیکه مسئله ی گرانش حل نشده، نمی توان فقط به چهار بعد فضا-زمان اکتفا کرد. خود نسبیت بر تاثیر گرانش بر روی رفتار ساعت ها تاکید دارد، چگ.نه می توانیم زمان را مستقل از گرانش فرض کرده و تنها به چهار بعد فضا-زمان محدود شویم. واقعیت این است که تا جاییکه که فضای متاثر از گرانش را در نظر داریم، بایستی در ابعاد مورد نیاز با احتیاط برخورد کنیم. چون نمی توانیم ساعت را مستقل از گرانش در نظر بگیریم. بنابراین واقعیت فضای بین ستارگان دارای پنج بعد می باشد، سه بعد برای فضا، یک بعد برای گرانش و یک بعد برای زمان

هاوکینگ - 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.

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. زماني كه كره ماه روي مسير مستقيمي در نزديكي زمين قرار دارد، روي مي‌دهد. زمين، فضا ـ زمان را انحنا می دهد و مدار ماه، نزديكترين چيز به خط مستقيم، در فضا ـ زمان منحرف شده است. از نظر اينشتين، يك جسم با جرم زياد، موجب انحراف فضا ـ زمان مي‌شود. طبق نظريه نسبيت عمومي، میدان جاذبه، و خمیدگی 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.    

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. البته این مقياسي است كه در آن گرانش در ستارگان، كهكشانها و حتي تمام جهان آشكار مي‌شود. 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 بینماه و زمين آن است كه اين نيرو را با تبادل گراويتونها (بوزونها يا ذرات پيام‌رسان نيروي گرانش)، بينذرات تشكيل دهنده اين دو كره در نظر بگيريم.

دیدگاه سی. پی. اچ.

نسبیت عام بخوبی توانایی بیشتر خود را نسبت به قانون گرانش نیوتن در توجیه مدار عطارد نشان دهد. علاوه بر آن برای اولین بار توجه فیزیکدانان را به مسیر منحنی شکل نور در اطراف اجسام چگال جلب کند. اما با حذف گرانش به عنوان یک نیروی اساسی، مسیر اندیشه ی فیزیکدانان را تغییر داد. در نسبیت گرانش به عنوان خواص هندسی فضا مورد توجه قرار می گیرد. اما به علل این انحنا توجه نمی شود. مسیر نور هنگام عبور از کنار اجسام منحرف می شود و این چیزی است که با تجربه نیز سازگار است. آیا زمان آن نرسیده که دلیل انحنای فضا را مورد توجه و بررسی قرار دهیم؟ در نسبیت اینگون عنوان می شود که خميدگي، به علت وجود جرم و انرژي ايجاد مي‌شود.

این انحنای فضا را که ناشی از وجود جرم است، چگونه می توانیم توضیح دهیم؟ اگر تنها به این امر بسنده کنیم که فضا دارای انحناست و بدنبال علت آن نباشیم، از روش علمی در برخورد با پدیده ها دور شده ایم. بنابراین باید ببینیم که وجود ماده بر فضای اطراف آن چه تاثیری می گذارد که موجب انحراف مسیر نور می شود. اجسام در اطراف خود خود یک میدان گرانشی ایجاد می کنند. این میدان گرانشی در سه نظریه مکانیک کلاسیک، نسبیت عام و مکانیک کوانتوم مورد توجه قرار گرفته است.

در مکانیک کلاسیک، گرانش تاثیر متقابل همه ی اجسام است که یکدیگر را جذب می کنند، هیچ توضیح دیگری در این زمینه ارائه نشده است. در نسبیت عام گرانش اثر هندسی جرم بر فضاست که آن را خمیده می کند. در اینجا هم توضیحی داده نشده که چرا جرم فضای اطراف خود را خمیده می کند. در مکانیک کوانتوم هم گرانش را ناشی از تبادل ذرات (گراویتونها) می دانند. این ذره ی تبادلی یک گام جلوتر از دو نظریه ی قبلی است. اما این نگرش  هم نتوانسته به مشکلات موجود پاسخ دهد. بهمین دلیل نظریه های مختلفی از جمله نظریه ریسمانها و لوپ کوانتوم تئوری مطرح شدند. اما نگاه نظریه سی. پی. اچ. متفاوت از همه ی نظریه های موجد است. این نگرش بر اساس یکسری دلائل منطقی و مشاهدات تجربی شکل گرفته که در فصول یک و دو مطرح شد. بر اساس این دلایل، از نقطه نظر سی. پی. اچ.، گرانش یک جریان دائمی از تبادل ذراتی است که خواص الکتریکی از خود نشان می دهند که بار-رنگ خوانده می شوند.

گرانش از دیدگاه سی. پی. اچ.

 در نظريه سي. پي. اچ. گرانش يک جريان است. اين جريان دائمي بين تمام ذرات و اجسام وجود دارد. به عنوان مثال به زمين و ماه توجه کنيد.  زمين داراي ميدان گرانش است. يک ميدان گرانشي از تعداد متنابهيسي. پي. اچ. (گراويتون) تشکيل شده است. پس ميدان گرانشي زمين نيز تعداد بيشماري سي. پي. اچ تشکيل شده است در اطراف زمين در حرکت هستند.

نگاهي به زمين و ماه بيندازيد. در اينجا دو ميدان وجود دارد، يکي ميدان گرانشي زمين و ديگري ميدان گرانشي ماه. هنگاميکه يک گراويتون به زمين مي رسد، گراويتون ديگري زمين را ترک مي کند به دليلاينکه گراويتون يک زير کوانتوم با خواص بار - رنگي يا مغناطيس - رنگي است، هنگام ترک زمين، آنرا به دنبال خود مي کشد. به عنوان مثال فرض کنيم يک بار - رنگ (گراويتون) از ماه به زمين براسد و به يک اتم زمين وارد شود و وارد الکترون شود. تعادل الکتريکي الکترون بهم مي خورد و الکترون مذکور با ارسال بار- رنگ مشابهي (گراويتون ديگري) مقدار بار الکتريکي خود را ثابت نگاه مي دارد. بار-رنگ ورودي و خروجي از نظر علامت يکسان هستند تا بار الکتريکي الکترون ثابت بماند. هنگاميکه بار - رنگ ورودي وارد ساختمان اتم مي شود، با توجه به علامت آن (منفي يا مثبت) بطرف الکترون يا پروتون تغيير مسير مي دهد و جذب آنها مي شود. فرض کنيم بار - رنگ ورودي منفي است که جذب پروتون مي شود. با ورود بار-رنگ منفي به ساختمان پروتون، تعادل بار پروتون بهم مي خورد. پروتون مزبور براي حفظ مقدار بار الکتريکي که موجوديت و خواص پروتون مربوط به آن است، بار - رنگ مزبور را باز پس مي فرستد و بار - رنگ با سرعتي بالاتر از سرعت نور، پروتون را ترک مي کند. اما به دليل بار - رنگي منفي که دارد، پروتون را به دنبال خود مي کشد. پروتون مزبور در کنش با ساير ذرات، آنها را به دنبال خود مي کشد

دقيقاً نظير گلوئون ها(گلوئون به معني چسب است) که موجب کشيده شدن کوارکها بطرف يکديگر مي شود. با توجه به اينکه پروتونها خود نيز از کوارکها با بار الکتريکي کسري ساخته شده اند، در واقع بار - رنگ هاي ورودي (گراويتونها) با کوارکها کنش خواهند داشت. در مورد الکترون نيز بحث مشابهي مي توان ارائه داد.

هاوکینگ - اگر روزي زمين فشرده شود

اگر واقعه بسيار شگفت‌انگيزتري روي دهد چه مي‌شود؟ اگر زمين تا اندازه يك نخود فشرده شود، يعني تمام جرم 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 تقريباً3 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 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. 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 تبديلمي‌كنند 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.

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 مي‌شوند 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� عمیقی خواهیم 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

دیدگاه سی. پی. اچ.

باز این نگرش سنتی و برداشت اعتقادی از نسبیت است. هاوکینگ می گوید"اگر زمین منقبض و به سیاه چاله تبدیل شود، كره ماه مثل قبل، روي مدار خود در حركت خواهد بود". یعنی ماه همان آثار گرانشی ناشی از زمین را دریافت خواهد کرد که قبل از انقباض زمین دریافت می کرد. بعبارت دیگر نور نمی تواند از سیاه چاله بگریزد، اما گرانش می تواند. در اینصورت بایستی گرانش را جدای از علائم نوری بحساب بیاوریم. در اینجا گرانش چیزی جدای از نور است، اما آنجا که گفته می شود هیچ چیز نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند، شامل گرانش نیز می شود. یا باید به گرانش نیز مانند بقیه علائم فیزیکی برخورد کرد که در اینصورت می توان قبول کرد که گرانش نیز نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند، بنابراین آثار گرانشی نیز مشمول همین نگرش خواهد شد و در میدان گرانشی سیاه چاله به دام خواهد افتاد و نمی تواند از آن بگریزد. وگر نه باید آثار گرانشی(امواج گرانشی) را استثاء کرد که در اینصورت در مورد سرعت آن نیز همین گونه خواهد شد و آثار گرانشی می تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور منتقل شود. هاوکینگ می گوید:" مطلقاً هيچ داده‌اي نمي‌تواند از آن خارج شود" سئوال این است که آیا آثار گرانشی را نمی توان جزو داده های یک سیاه چاله بحساب آورد؟    

در نظریه سی. پی. اچ. سرعت نور نسبت به همه دستگاه های لخت ثابت و برای همه ی ناظرهای لخت یکسان است. اما فوتونها از ذراتی تشکیل شده اند که با سرعت خطی برابر سرعت نور حرکت می کنند. اما از اسپین فوتونها سهم می برند و خودشان نیز دارای اسپین هستند. این ذرات بار-رنگ و مغناطیس رنگ نامیده می شوند و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فوتون را بوجود می آورند. گراویتون که نیروی گرانشی را حمل می کند، همین بار-رنگها هستند و با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت می کنند.

با این نگرش، هنگامیکه یک جسم تبدیل به سیاه چاله شود، نخست مانع از فرار نور می شود. سپس با بلعیدن سایر اجسام چگالتر می شود و بتدریج سرعت فرار از سطح آن افزایش می یابد تا جاییکه حتی بار-رنگها که سرعتی بالتر از سرعت نور دارند نیز نمی توانند از میدان گرانشی آنها بگریزند، یعنی آثار گرانشی (گراویتونها) نیز بلعیده می شوند. در این حالت به یک سیاه چاله مطلق تبدیل شده و هیچ نشانی از خود بروز نمی دهد.       

 هاوکینگ - اگر روزي زمين فشرده 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 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 سياهچالهبا 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.

 دیدگاه سی. پی. اچ.

تمام این تجزیه تحلیلها بر اساس پذیرش ساختار فضا-زمان پیوسته (در نسبیت فضا-زمان پیوسته است) انجام شده است. با این وجود میدان گرانشی سیاه چاله دارای انرژی است که می تواند روی فوتونها کار انجام دهد. هاوکینگ می گوید:"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". این پرتوهای نوری با هم و با تمام ذرات و اجسام اطراف خود از طریق گرانش کنش دارند. و حتی خود گرانش روی انرژی آنها تاثیر دارد. لذا نمی توان به آنها مانند یک جسم صلب محبوس در یک محوطه نگریست.

هاوکینگ - 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 آیا 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 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

دیدگاه سی. پی. اچ.

در اینجا با سه مشکل اساسی مواجه می شویم، اول پیوستگی فضا-زمان که قابل پذیرش نیست. زیرا فضا-زمان پیوسته به تولید انرژی گسسته می پردازد، یا فضا-زمان پیوسته دارای انرژی کوانتومی است. اما فضا-زمان بدون انرژی چگونه می تواند فضا را خمیده ایجاد کند؟

مشکل دوم چگالی بینهایت است. چگالی بینهایت بایستی همه ی جهان را تحت تاثیر گرانش خود قرار دهد و همه فضا خمیده باشد. که چنین نیست زیرا در مورد انحنای جهان که آیا اقلیدسی است یا نااقلیدسی بحث زیادی وجود دارد که هنوز توافق اصولی در این زمینه وجود ندارد.

مشکل سوم فشرده شدن نیز نمی تواند تا حجم صفر ادامه داشته باشد. زیرا تولید ماده و پاده ماده نشان می دهد که انرژی نیز بایستی دارای حجم باشد. اینکه اتم فشرده شود، ختی الکترون و پروتون نیز فشرده شوند، قابل قبول است، اما تا کجا؟

در نظریه سی. پی. اچ. همه ی ذرات از سی. پی. اچ. تشکیل شده اند که دارای اسپین هستند. بمحض تماس با یکدیگر یا برخور، به دلیل اسپینی که دارند، به اطراف پراکنده می شوند. بنابراین کاهش حجم تا جایی می تواند ادامه داشته باشد که فاصله ی سی. پی. اچ. ها به صفز نرسد. لذا کاهش حجم نیز محدود است و نمی توان ستاره ای بزرگ را در حجمی برابر صفر جای داد.

هاوکینگ -  در 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 کرد، 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. امابدون 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 رابدون 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 می گوید: "ما آن را تنها از نظر تواضع مي‌پذيريم: بسيار جالب خواهد بود اگر این 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.

در مدل اوليه فريدمان، گرانش، فضا را به سوي گرداگرد خودش خم مي‌كند. جهان از حيث اندازه بي‌نهايت نيست ولي پايان و مرزي هم ندارد. 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.

دیدگاه سی. پی. اچ.

در این که جهان (جهان قابل مشاهده و هر جهان دیگری) از یک تکنیگی آغاز می شود، مورد پذیرش است. اما باید به این نکته نیز توجه داشت که اطلاعات مربوط به انبساط سریع جهان و حتی شتاب این انبساط همه از طریق نور دریافتی به ما می رسد. زمانی این اطلاعات اعتماد کامل داشت که ما ساختار دورونی فوتون را خوب شناخته باشیم. اگر فوتون دارای چنان ساختمانی باشد که بدون عوامل خارجی و با گذشت زمان دچار تغییر گردد، چگونه می توانیم به اطلاعات دریافتی اعتماد کنیم. از دیدگاه سی. پی. اچ. فوتون از بار-رنگها و مغناطیس-رنگها تشکیل می شود. این ذرات (بار-رنگها و مغناطیس �رنگها) میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فوتون را می سازد و درون ساختمان فوتون نیز دارای اسپین هستند. اگر تداخل اسپینی وجود داشته باشد، یعنی ذرات تشکیل دهنده ی فوتون با یکدیگر برخورد کنند، یکدیگر را می رانند و احتمالاً بعضی از آنها ساختمان فوتون را ترک می کنند. در اینصورت انرژی فوتون با گذشت یک زمان طولانی کاهش می یابد. سئوال این است که آیا تا زمانیکه ما بطور کامل ساختمان فوتون را نشناخته ایم، می توانیم به اطلاعات دریافتی در مورد جهان اطمینان کامل داشته باشیم؟

هاوکینگ - سياهچاله و آنتروپي

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، ولی 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.

مسيرهاي پرتوهاي نور كه در افق رويداد سرگردان هستند نمي‌تواند مسيرهاي پرتوهاي نور باشد كه بهيكديگر 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. 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. درجهان ما آنتروپي (بي‌نظمي) هميشه اقزايش مي‌يابد. قطعه‌هاي فنجان چاي شكسته شده، هرگز خودشان به صورت فنجان اوليه بازسازي نمي‌شوند.

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

دیدگاه سی. پی. اچ.

در نظریه سی. پی. اچ.، اسپین سی. پی. اچ. ها نقش کلیدی برای تمام فرایندهای فیزیکی دارد. هر تغییر نظمی در یک سیستم ناشی از تغییر اسپین سی. پی. اچ. های موجود در آن سیستم است. فنجان سالم از تعدادی ملکول ساخته شده که همه ی آنها بنوبه ی خود از سی. پی. اچ. ها تشکیل شده اند که با اسپین خاصی در کنار هم قرار گرفته و ذرات زیر اتمی موجود در فنجان را شکل داده اند. حال که فنجان شکسته می شود، اسپین سی. پی. اچ. ها نیز تغییر می کند. آیا ما می توانیم اسپین سی. پی. اچ. ها را به حالت قبل از شکسته شدن فنجان برگردانیم؟ اگر به فنجان به منزله ی یک ساعت نگاه کنیم (که واقعاً یک ساعت هم هست) در این اینصورت با شکسته شدن فنجان، ساعت از کار افتاده و هرگز و تحت هیچ شرایطی نمی توان همان ساعت را با همان کمیت و کیفیت ساخت.  

هاوکینگ - 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، نمی توان 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 رویداد 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.

هاوکینگ در سال 1973 تصميم گرفت 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.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 كنندهرسيدم 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 الكترومغناطيسي یا ميدان گرانشي) 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. 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. 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 بههيچ‌وجه 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.

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 باانرژي 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. تابش 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.

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 خواهند 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: این سیاه چاله ها را به زحمت مي‌توان سیاه ناميد: آنها در حقيقت داغ و سفيدند.

دیدگاه سی. پی. اچ.

آنچه که در این بخش بیش از همه اهمیت دارد، تبخیر سیاه چاله بر اثر تابش هاوکینگ است. در نظریه سی. پی. اچ. لزومی ندارد که از اصل عدم قطعیت یا ذرات با انرژی منفی استفاده کنیم تا نشان دهیم که سیاه چاله ها بر اثر تابش هاوکینگ تبخیر می شوند.

در سطح افق رویداد یا لایه های درونی (زیر افق رویداد بطرف سیاه چاله) چکالی گرانش (بار-رنگها) آنقدر بالا است که بسادگی با هم ترکیب می شوند و کوانتوم های انرژی را تولید می کنند. این کوانتومهای انرژی با توجه به چگالی بالای گرانش در آنجا برخوردهای شدیدی با یکدیگر و بار �رنگها خواهند داشت. در این برخوردها تجزیه شده یا به ذرات ماده -پادماده تبدیل و به اطراف پراکنده می شوند. برخی از این ذرات به دلیل مجاورت با افق رویداد، قبل از آنکه همه ی انرژی خود را از دست بدهند، از افق رویداد عبور کرده و سیاه چاله را ترک می کنند.

حقیقتاً ما با ساختار درونی سیاه چاله ها آشنا نیستیم. اما اگر بپذیریم که سیاه چاله ها نیز از همان موادی بوجود می آیند که بقیه جهان را شکل داده (که قطعاً چنین است)، آنگاه می توانیم رویدادهای امکان پذیر در آنجا را تجزیه و تحلیل کنیم. یک سیاه چاله از یک توده ی فشرده و چگال از ماده تشکیل می شود و یک میدان گرانشی بسیار قوی در اطراف این ماده ی چگال وجود دارد. این میدان فوق العاده قوی از بار-رنگها تشکیل شده که در ساختمان فوتون وجود دارند. این بار-رنگها به دلیل بالا بودن چگالی بسهولت با هم ترکیب شده و کوانتومهای انرژی را تولید می کنند. کوانتومهای انرژی یعنی چهره ی دیگری از ماده و پاد ماده، که تنها نیاز به شرایطی دارند تا به ماده و پاد ماده تبدیل شوند. و این شرایط در سیاه چاله وجود دارد.