رگرفته 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.
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 بوزون Boson 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.
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 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 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.
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