مقدمه

انصافاٌ هاوکینگ در توضیح مطالب پیچیده و بغرنج فیزیک به زبان ساده مهارت خاصی دارد. این امر نشان می دهد که وی درک عمیقی از فیزیک دارد. بهمین دلیل آثار عمومی ایشان از استقبال چشم گیری برخوردار است. علاوه بر آن نام هاوکینگ به دلیل دو کار جالب در مورد سیاه چاله ها جاودان خواهد شد. یکی تکینگی و دیگری تبخیر سیاه چاله ها. این دو مورد زمینه ی یک بحث فراگیر جهانی را بین فیزیکدانان فراهم کرد. هرچند به اعتراف خود هاوکینگ در کتاب تاریچه زمان از فیزیکدانان روسی الهام گرفته بود، اما این هاوکینگ بود که با محاسبات و معادلات ریاضی توانست توجه فیزیکدانان را به آن جلب کند. این نوشته نقدی است بر پایان فیزیک از نظر هاوکینگ که به توجه به نظریه سی. پی. اچ. بیان می شود

هاوکینگ توانايي راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را ندارد و اگر سرش به پايين مي‌افتاد نمي‌توانست آن را بلند كند. با این وجود توانست با استفاده از امکانات و جو علمی حاکم بر انگلستان به عنوان یک دانشمند طراز اول در دنیا مطرح شود. اگر بخواهیم علت پیشرفت غرب را متوجه شویم، توجه به توانایی جسمانی هواکینگ و کارهای او و شرایط اجتماعی انگلستان که هاوکینگ محصول آن است، کفایت می کند

 

هاوکینگ

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

 

پاسخ

 نسبیت و مکانیک کوانتوم دو زمینه ی کاملاً متفاوت و متناقض با هم دارند. این دو نظریه را تحت هیچ شرایطی نمی توان در هم آمیخت. دلیل این عدم سازگاری نسبیت و کوانتوم کوانتوم در مفاهیم بنیادی است که این دو نظریه بر مبنای آن شکل گرفته اند. مکانیک کوانتوم بر اساس بینش کوانتومی یعنی عدم پیوستگی کمیتهای فیزیکی از جمله ماده، انرژی و نیرو شکل گرفته است. در حالیکه نسبیت عام بر پیوستگی ساختار فضا-زمان تاکید دارد. بنابراین در نخستین گام برای سازگار ساختن مکانیک کوانتوم و نسبیت بایستی یکی از این دو مفهوم بنیادی را تغییر داد. یا باید بذیریم که کمیتهای فیزیکی نظیر ماده، انرژی و نیرو پیوسته هستند یا باید قبول کنیم که ساختار فضا-زمان گسسته یا کوانتومی است. شواهد تجربی نشان می دهد که گسستگی کمیتهای فیزیکی آنچنان که مکانیک کوانتوم تصریح می کند، واقعی است. پس نمی توانیم به دوران قبل یعنی مکانیک کلاسیک برگردیم. پس بایستی مفهوم کوانتومی فضا-زمان را مورد توجه قرار دهیم. با چنین دیدگاهی بایستی شرایط پیدایش نسبیت و دلیل ارائه ی آن را مورد کنکاش قرار دهیم. این کنکاش نشان می دهد که هرسه مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را باید مورد بررسی مجدد قرار داد

 

هاوکینگ

هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون. در مقياس‌هاي بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان مي‌دهند. 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 و نيز موجب يگانگي فرميون‌ها و بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيك‌دان‌ها اين نظريه را نظريه يگانگي نام دادند

 

پاسخ

این تلاش از زمان اینشتین آغاز شد. وی سعی کرد الکترومغناطیس را با گرانش وحدت دهد. اما موفق نشد. علت عدم توفیق اینشتین به گمان من در این بود که ذهنیت وی با پیوستار کوانتومی بیگانه بود. جهان امروز با پیوستگی دوران اوج مکانیک کلاسیک تفاوت بسیاری دارد. دورانی که نسبیت در آن تکوین یافت. حتی شرایط امروزی با دهه ی 1920 که مکانیک کوانتوم توسعه یافت تفاوت چشم گیری دارد. امروز دیگر بحث کوانتوم نیست. زمان طرح مسائلی در محدوده های زیر کوانتومی فرا رسیده است. ما در مکانیک کلاسیک با پدیده هایی سروکار داریم که با چشم می توانیم به مشاهده ی آنها بپردازیم. در مکانیک کوانتوم به پدیده هایی توجه داریم که در شرایط آزمایشگاهی، آثار آنها را مورد دقت قرار می دهیم و نتیجه گیری می کنیم. اما در مورد پدیده های زیر کوانتومی حتی نمی توانیم در شرایط آزمایشگاهی و مستقیماً آثار آنها را ظاهر کنیم. اینجاست که باید از عقل سلیم کمک بگیریم. تلاش برای یکسان سازی نیروها بعد از اینشتین هم ادامه یافت. اما نتیجه ی مورد نظر به دست نیامد. اشکال کار در این است که انرژی و نیرو را در دو زمینه متفاوت مورد بررسی قرار می دهند. واقعیت این است که نیرو و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند. در دهه ی 1960 پیتر هگز بحث هگز بوزون را مطرح کرد و تلاش کرد به این سئوال پاسخ دهد که منشا جرم چیست. این سئ.ال بسیار خوبی است که می تواند با نگرش تبدیل نیرو به انرژی و بالعکس برای آن پاسخی مناسب یافت. و این کاری است که نظریه سی. پی. اچ. انجام داده است

 

هاوکینگ
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

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

 

پاسخ

مشکل اصلی در فیزیک این است که تلاش می کنند این دو نظریه، یعنی مکانیک کوانتوم و نسبیت را با یکدیگر سازگار سازند. در حالیکه با توجه به اصل هم ارزی نیرو و انرژی نیاز به تلاش زیادی نیست تا نسبیت و مکانیک کوانتوم با یکدیگر سازگار شوند. در واقع بایستی مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتوم و نسبیت را همزمان و با توجه به اصول و قوانین شناخته شده ی علمی که از نظر تجربی نیز تایید شده مورد بررسی مجدد قرار داد. برای اینکار بایستی تعریف جدیدی از انرژی ارائه داد و با توجه با این تعریف ساختمان فوتون را تعریف کرد. با چنین نگرشی بینهایت های مشکل ساز بسادگی برطرف خواهند شد. بینهایت های موجود و مشکل ساز ناشی از نگرش موجود در مکانیک کوانتم  به درات است که ساختمان ذراتی نظیر فوتون و الکترون را قابل بررسی نمی داند. شواهد تجربی نشان می دهد که فوتونها در میدان گرانشی اثر پذیرند. این اثر در تغییر فرکانس/انرژی آنها کاملاً اثبات شده است. و این چیزی است که نسبیت نیز بر آن تاکید جدی داشته داشته است. در واقع این نسبیت بود که برای نخستین بار از تاثیر میدان گرانشی بر فوتون ها سخن گفت. حال اگر این پدیده را با لزوم توجه به ساختمان فوتون و تعریف قابل قبولی از کوانتوم های انرژی تلفیق کنیم، به بینش جدیدی خواهیم رسید که در آن اسپین اجزای تشکیل دهنده ی فوتون بسادگی بحث بینهایت ها را بر طرف خواهد کرد

این گفته ی هاوکینگ کاملاً درست است که می گوید گراویتونها بین خود نیز رد و بدل می شوند، اما این تاثیری که گراویتونها بر یکدیگر دارند، مقوله ی دیگری است. در نظریه سی. پی. اچ. تاثیر گراویتونها تنها از نظر اسپین امکان پذیر است و در این حالت هیچ بحثی از بینهایت ها به میان نخواهد آمد

 

هاوکینگ

نظريه ابرريسمان كه در اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است

 

پاسخ

ابرریسمانها نیز قادر به ارائه ی راه حل اساسی نخواهند بود. زیرا در نظریه ریسمانها، یک ریسمان یک واحد بسیار کوچک انرژی است. اما در این نظریه هم نگرش نوینی به انرژی دیده نمی شود. در حالیکه نظریه سی. پی. اچ. کار را با یک نگرش نوین و انقلابی از خود انرژی آغاز می کند. در واقع از دیدگاه نظریه سی. پی. اچ. مسئله تنها این نیست که سایر ذرات از چه چیزی تشکیل می شوند، بلکه مسئله این است که کیفیت این پدیده یعنی تشکیل کوانتومها از زیر کوانتومها چگونه است. پاسخ این مشکل نیز از طریق اسپین قابل حل است

 

هاوکینگ
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

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

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

 

پاسخ

این مورد را از انتها مورد توجه قرار می دهیم. دنیای ذرات حقیقتاً میهم و غیر قطعی است را باید پذیرفت، حال اگر بپذیریم که دنیای ذرات مبهم است آنگاه برای زیر ذرات چه می توانیم بگوییم؟

قطعاً با دنیای پیچیده تری رو به رو هستیم. اما این پیچدگی نباید و نمی تواند مانع کنکاش بیشتر و ارائه ی راه حلهای قابل قبولی شویم. ما می توانیم با استفاده از یک تابع احتمال از دنیای زیر کوانتوم به دنیای موانتومها شویم و از آنگاه با تعمیم قوانین حاکم بر ذرات کوانتومی به دنیای اجسام بزرگ به خوبی می توانیم جهان و شرایط مرزی را توضیح دهیم

اینکه فضا کاملاً تهی نیست، کاملاً درست است. اما سئوال این است که فضا از چه چیزی انباشته شده است؟ فضا از ذرات و پاد ذرات پر نشده، بلکه از ذرات زیر کوانتومی انباشته است. همین ذرات زیر کوانتومی که سی. پی. اچ. نامیده می شود، با یکدیگر ترکیب شده و به تولید ذرات و پاد ذرات میپردازند

اگر فضا دارای انحنا است، به این دلیل است که سی. پی. اچ. ها به فضا انحنا می دهند. همجنین شدت انحنای فضا نیز تابع چگالی سی. پی. اچ. در فضا است. هرجا که ماده بیشتر و چگال تر باشد، چگالی سی. پی. اچ. نیز بیشتر است. سی. پی. اچ. ها روی پرتوهای نوری کار انجام می دهند و مسیر آن را منحرف می کنند. بهمین دلیل ما شاهد خمیدگی نور در میدانهای گرانشی هستیم. نسبیت به ما نشان داد که فضا خمیده است، اما دلیل این خمیدگی را بیان نکرد

 

هاوکینگ
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

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

گرانش را مي‌توان در مقياسهاي بسيار كوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش در اين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروي ديگر كه دوتاي آنها تنها دراين سطح عمل مي‌كنند، دست يابيم. روش مكانيك كوانتومي براي در نظر گرفتن نيروي گرانش بين ماه و زمين آن است كه اين نيرو را با تبادل گراويتونها (بوزونها يا ذرات پيام‌رسان نيروي گرانش)، بين ذرات تشكيل دهنده اين دو كره در نظر بگيريم

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

 

پاسخ

هنگامیکه اینشتین گرانش را از فهرست نیروها حذف کرد و به جای آن ساختار هندسی فضا را تحت عنوان فضا-زمان قرار داد، فیزیک را از مسیر اصلی خود منحرف کرد. تعجب اینجا است که حتی خود اینشتین هم گاهی اوقات از این دیگاه پیروی نمی کرد و گرانش را به عنوان یک نیرو در نظر می گرفت. دلیل این ادعا آن است که اینشتین بیش از سی سال برای یکسان سازی نیروی گرانش و الکترومغناطیس تلاش کرد، تلاشی که هیچ نتیجه ای نداشت. خوب سئوال این است که آیا گرانش یک نیروی اساسی هست یا نه؟ اگر نیروی گرانش یک نیروی اساسی است، پس چرا باید آن را با ساختار هندسی فضا عوض کرد؟ اگر گرانش یک نیروی اساسی نیست، پس چرا اینشتین سی سال وقت خود را برای یکسان سازی چیزی که اصلاً نیرو نیست با یکی از نیروهای اساسی یعنی الکترومغناطیس هدر می داد؟

واقعیت این است که گرانش یک نیروی اساسی است و با توجه به آن باید به بررسی ساختار هندسی فضا پرداخت. اینکه در مکانیک کوانتوم به گرانش بصورت ذراتی نگاه می کنند که بین اجسام رد و بدل می شود، دیگاه خوبی است. حال باید با این دیدگاه به بررسی علت انحنای فضا پرداخت و این همان کاری است که در نظریه سی. پی اچ. انجام شده است

 

با تشکر

حسین جوادی