پایان فیزیك

در ۲۹ اوریل ۱۹۸۰ در سالن كنفرانس كوكرافت در كمبریج انگلستان جایی كه عرصه بالیدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روی صندلی‌های ردیف‌شده بر كف شیب‌دار سالن كه مقابل دیواری پوشیده از وایت‌برد و پرده اسلاید بود، گرد‌هم آمده بودند. این جلسه برای وضع اولین خطابه یك پروفسور جدید كرسی لوكاشین(Lucasian) ریاضی برقرار شده بود. این پروفسور استفن ویلیام هاوكینگ ریاضی‌دان و فیزیك‌دان ۳۸ ساله بود.

عنوان خطابه یك سوال بود: آیا دورنمای پایان فیزیك نظری دیده می‌شود؟

و هاوكینگ با اعلام این كه پاسخ او به این سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده كرد! او از حضار دعوت كرد تا به او بپیوندند و با گریزی شورانگیز از میان زمان و مكان جام‌مقدس علم را بیابند. یعنی نظریه‌ای كه جهان و هر چه را كه در آن روی می‌دهد، تبیین كند.

استفن هاوكینگ در حالی كه یكی از شاگردانش خطابه او را برای جمعیت گرد آمده قرائت می‌كرد. روی صندلی‌چرخ‌دار نشسته بود. در یك قضاوت ظاهری به‌نظر نمی‌رسید كه او انتخاب مناسبی برای رهبری یك كار خطیر باشد. فیزیك نظری برای او گریز بزرگی از یك زندان بود. زندانی بسیار بدتر از آن‌چه در مورد آزمایشگاه‌های قدیمی كاوندیش به طعنه بیان می‌شد. از اوایل بیست سالگی او با بیماری از كار افتادگی روزافزون كه از مرگ زودرس او خبر می‌داد، می‌ساخت. هاوكینگ مبتلا به اسكلروز جانبی آمیوتروفیك(Amyotrophic Lateral Sclerosis) یا ALS بود و زمانی كه كرسی لوكاشین رو عهده‌دار شد، دیگر توانایی راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را نداشت و اگر سرش به پایین می‌افتاد نمی‌توانست آن را بلند كند. صحبت كردن او غیر مفهوم و فقط برای كسانی كه وی را خوب می‌شناختند قابل درك بود. برای خطابه لوكاشین، او با زحمت فراوان متن مورد نظر خود را قبلاْ دیكته كرده بود تا شاگردش بتواند، آن را قرائت كند. اما هاوكینگ معلول نبوده و نیست. او یك ریاضی‌دان و فیزیك‌دان برجسته است و بسیاری او را برجسته‌ترین فیزیك‌دان پس از انیشتین می‌دانند. كرسی لوكاشین یك مقام آكادمیك ممتاز است كه زمانی سر آیزاك نیوتن عهده‌دار آن بود.

هاوكینگ ضمن مبارزه دائمی با بیماری لاعلاجش همواره در تلاش برای دستیابی به پاسخ این سوال اصلی كیهان‌شناسی بوده است كه این جهان از كجا آمده و به كجا می‌رود؟ زندگی او تلاشی مستمر و پیگیر در راه كشف حقایق این جهان است. او به دنبال نظریه «همه چیز» است. نظریه جامعی كه بتواند قوانین حاكم بر جهان را در یك سری معادلات و قواعد خلاصه كند. موقعی كه نظریه نسبیت عمومی انیشتین را برای توضیح برخی ویژگی‌های فیزیكی سیاهچاله‌ها ناتوان می‌بیند، به مكانیك كوانتومی متوسل می‌شود. سعی می‌كند این دو را در هم آمیزد. فرضیه‌ای مطرح می‌كند. فرضیه‌اش را مورد سوال قرار می‌دهد. در راه كشف حقیقت به سوال‌هایی برمی‌خورد. فضای خالی، خالی نیست! سیاه‌چاله‌ها سیاه نیستند! آغازها می‌توانند پایان‌ها باشند و . حقیقت بسیار پیچیده و گریزان است. آیا هاوكینگ و دانشمندان دیگر روزی به نظریه همه چیز دست خواهند یافت؟

دانشمندان زیادی در این زمینه تلاش می‌كنند. برخی حداقل به اندازه هاوكینگ شهرت دارند. اما چیزی كه زندگی هاوكینگ را متمایز می‌كند، امید است. ۳۹ سال از از زمانی كه پزشكان برای هاوكینگ عمری دو یا سه ساله در حالی كه تكه‌گوشتی بیشتر نخواهد بود پیش‌بینی كرده بودند، می‌گذرد. او هنوز با بیماریی كه تمام عضلات او را از كار انداخته است، مبارزه می‌كند و كماكان به حیات پربار خود ادامه می‌دهد. پیام او به دیگران همواره این بوده است كه به بیماری‌اش نیندیشند.

● قواعدی پشت قواعد دیگر

هر ماده‌ای كه بیندیشیم در جهان وجود دارد(مردم، هوا، یخ، ستارگان، گازها، میكروب‌ها، صفحه مانیتور شما) از اجزاء ساختاری بسیار ریزی به‌نام اتم تشكیل شده اند. می‌دانیم كه اتم‌ها بنوبه خودشان از موجودات كوچكتری به نام ذرات و یك فضای خالی بسیار بزرگ(در مقایسه با ابعاد این ذرات) ساخته شده‌اند. همچنین می‌دانیم كه برخی از ذرات خود از ذرات ریزتری تشكیل شده‌اند.

ذرات مادی رو كه همگی می‌شناسیم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته می‌چرخند. ذرات مادی اتم رو به‌نام كلی فرمیون‌‌ها می‌شناسیم.

فرمیون‌ها یك سیستم پیام‌رسانی دارند كه بین آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌های معینی موجب ایجاد تاثیر و در نتیجه تغییراتی در آن‌ها می‌شود. سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها را در نظر بگیرید. كبوتر نامه‌بر، پست، تلفن و فكس سرویس‌های این سیستم می‌تانند نامیده شوند. اما همه انسان‌ها از هر ۴ سرویس فوق برای رد و بدل كردن پیام بین همدیگر استفاده نمی‌كنند.

در مورد ذرات مادی هم سیستم پیام‌رسانی وجود دارد كه سرویس‌های چهارگانه‌ای دارد. این سرویس‌ها را نیرو می‌نامیم. ذراتی وجود دارد كه این پیام‌ها را بین فرمیون‌ها و در برخی موارد حتی بین خود رد و بدل می‌كنند. این ذرات پیام‌رسان به‌طور مشخص بوزونBoson نامیده می‌شوند.

پس هر ذره‌ای كه در جهان وجود دارد یا فرمیون هست یا بوزون.

گفتیم كه سرویس‌های پیام‌رسان ۴گانه نیرو نامیده می‌شوند. یكی از این نیروها گرانش هست. نیروی گرانش را كه ما را روی زمین نگه می‌دارد، می‌توانیم مثل پیامی در نظر بگیریم. حامل این پیام نوعی بوزون هست كه گراویتون نامیده می‌شود. گراویتون‌ها حامل پیامی بین ذرات اتم‌های بدن ما و ذرات اتم‌های زمین هستند و به ذرات مذكور می‌گویند كه به‌هم نزدیك شوند.

نیروی دوم یا نیروی الكترومغناطیس پیام‌هایی هست كه به‌وسیله بوزون‌هایی به‌نام فوتون بین پروتون‌های درون هسته یك اتم و الكترون‌های نزدیك به آن، یا بین الكترون‌ها رد و بدل می‌شوند. این پیام‌ها موجب می‌شوند كه الكترون‌ها دور هسته گردش كنند. در مقیاس‌های بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان می‌دهند. سومین سرویس پیام‌رسان نیروی قوی است كه موجب می‌شود هسته اتم یكپارچگی خود را حفظ كند و چهارمین سرویس نیروی ضعیف است كه موجب رادیواكتیویته می‌شود.

فعالیت این ۴ نیرو باعث رد و بدل شدن پیام بین كلیه فرمیون‌های جهان و برهمكنش بین آنها می‌شود. بدون این ۴ نیرو هر فرمیون اگر هم وجود داشته باشد در جدایی به‌سر می‌برد، بدون این كه بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثیر بگذارد. بزبان ساده‌تر:

اگر چیزی بوسیله این چهار نیرو روی ندهد، اتفاقی نخواهد افتاد.

درك كامل این چهار نیرو به ما امكان می‌دهد تا اصولی را كه مبنای همه رویدادهای جهان هست، درك كنیم.

بسیاری از كارهای فیزیك‌دانان قرن بیستم برای آگاهی بیشتر از طرز عمل این جهار نیروی طبیعی و ارتباط بین آنها انجام شد. در سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها، ممكن هست به این موضوع واقف بشیم كه تلفن و فكس دو سرویس جداگانه نیستند. بلكه هر دو اجزای یك سیستم واحدند كه به دو طریق متفاوت جلوه‌گر می‌شوند. آگاهی از این واقعیت موجب یگانگی دو سیستم پیام‌رسانی خواهد شد. به طریق مشابهی فیزیك‌دان‌ها تا حدودی با موفقیت سعی كردند نوعی یگانگی بین نیروها رو استنباط كنند. آنها امیدوار بودند نظریه‌ای بیابند كه در غایت امر هر چهار نیرو را بوسیله یك ابرنیرو توجیه كند. نیرویی كه خودش را به‌گونه‌های مختلف نشان می‌دهد و نیز موجب یگانگی فرمیون‌ها و بوزون‌ها در یك خانواده می‌شود. فیزیك‌دان‌ها این نظریه را نظریه یگانگی نام دادند. این نظریه باید دنیا را توجیه كند. یعنی نظریه همه چیز باید یك قدم پیش‌تر برود و به این سوال پاسخ بده: دنیا در لحظه آغاز قبل از این كه زمانی بگذرد، چگونه بوده است؟

فیزیك‌دان‌ها همین سوال را بزبان خودشان با این عبارت بیان می‌كنند كه: شرایط اولیه یا شرایط مرزی در آغاز جهان چه بوده است؟

درك كامل ابرنیرو ممكن هست كه درك شرایط مرزی را هم برای ما امكان‌پذیر كند. از طرف دیگر ممكن است كه ضروری باشد كه ما شرایط مرزی را بدانیم تا بتوانیم ابرنیرو را بفهمیم. این دو بطور تنگاتنگی با یكدیگر ارتباط دارند و نظریه پردازان هم از هر دو طرف مشغول كار هستند تا به «نظریه همه‌چیز» ( از منشاآلمانی= Weltformel ) دست پیدا كنند.

● نظریه‌ها

نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و كهكشان‌هاست كه برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است.

مكانیك كوانتومی نظریه‌ای است كه نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند كه بین فرمیون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند. این نظریه اصل ناامیدكننده‌ای را نیز كه اصل عدم قطعیت نام دارد در بر می‌گیرد. بنابر این اصل هیچ‌گاه ما نمی‌توانیم همزمان مكان و سرعت(تندی و جهت حركت) یك ذره را با دقت بدانیم. با وجود این مسئله مكانیك كوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است.

یك راه برای تركیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یك نظریه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌كنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم. یك راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است.

اما اگر نیروی گرانش را مانند پیام بین ذرات در نظر بگیریم، با مشكلاتی مواجه می‌شویم. قبلاْ دیدیم كه شما می‌توانید نیرویی را كه شما را روی زمین نگه می‌دارد، مثل تبادل گراویتون‌ها(همان پیام‌رسان‌های گرانش) بین ذرات بدن خود و ذراتی كه كره زمین را تشكیل می‌دهند، در نظر بگیرید. در اینصورت نیروی گرانشی با روش مكانیك كوانتومی بیان می‌شود. اما چون همه گراویتونها بین خود نیز رد و بدل می‌شوند، حل این مساله از نظر ریاضی بسیار بغرنج می‌شود. بی‌نهایت‌هایی حاصل می‌شوند كه خارج از مفهوم ریاضی معنایی ندارند. نظریه‌های علم فیزیك واقعاْ نمی‌توانند با این بی‌نهایت‌ها سر و كار داشته باشند. آن‌ها اگر در نظریه‌های دیگر یافت شوند، تئوریسین‌ها به روشی كه آن را ری‌نرمالیزیشن یا بازبهنجارش می‌نامند، متوسل می‌شوند. ریچارد فاینمن در این باره می‌گوید: این كلمه هر چقدر زیركانه باشد، باز من آن را یك روش دیوانه‌وار می‌نامم. خود او هنگامی كه روی نظریه‌اش در مورد نیروی الكترومغناطیسی كار می‌كرد، از این روش سود جست. اما او به این كار زیاد راغب نبود. در این روش از بی‌نهایت‌های دیگری برای خنثی كردن بی‌نهایت‌های نخستین، استفاده می‌شود. نفس این عمل اگر چه مشكوك است ولی نتیجه در بسیاری از موارد كاربرد خوبی دارد. نظریه‌هایی كه با به‌كارگیری این روش به‌دست می‌آیند، خیلی خوب با مشاهدات همخوانی دارند.

استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نیروی الكترومغناطیسی كارساز است ولی در مورد گرانش این روش موفق نبوده. بی‌نهایت‌ها در مورد نیروی گرانش از جهتی بدتر از بی‌نهایت‌های نیروی الكترومغناطیسی هستند و حذفشان ممكن نیست. ابرگرانش كه هاوكینز در خطابه لوكاشین خود بدان اشاره كرد و نظریه ابرریسمان كه در ا» اشیاء بنیادی جهان، بصورت ریسمان‌های نازكی هستند، پیشرفت‌های امیدوار كننده‌ای داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

● راه دیگر

از طرف دیگر اگر ما مكانیك كوانتومی را برای مطالعه اجسام بسیار بزرگ در قلمرویی كه گرانش فرمانروای بی‌چون و چرا است، بكار گیریم، چه خواهد شد؟ به‌دیگر سخن اگر ما آنچه را كه نظریه نسبیت عام در باره گرانش می‌گوید، در پرتو اصل عدم قطعیت بازنگری كنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

همانطور كه گفتیم طبق اصل عدم قطعیت(Uncertainty principle) نمی‌توان با دقت مكان و سرعت یك ذره را همزمان اندازه گرفت. آیا این بازنگری موجب تفاوت زیادی خواهد شد؟ در ادامه خواهیم دید كه استفن‌هاوكینگ در این زمینه به چه نتایج شگرفی دست یافته است.

سیاهچاله‌ها سیاه نیستند!

شرایط مرزی ممكن است به این نتیجه منتهی شود كه مرزی وجود ندارد حالا كه از ضد و نقیض‌ها گفتیم، یكی دیگر هم اضافه كنیم:

فضای خالی، خالی نیست .در ادامه خواهیم دید كه چگونه می‌توان به این نتیجه رسید. فعلا همینقدر بدانیم كه اصل عدم قطعیت بدان معنی است كه فضا مملو از ذره و پادذره است!

نظریه نسبیت عام همچنین به مـــا می‌گوید كـــه وجود ماده یـــا انرژی سبب خمیدگی یــا تاب‌خوردن فضا-زمان می‌شود. یك نمونه خمیدگی آشنا می‌شناسیم. خمیدگی باریكه‌های نور ستارگان دور هنگامی كه از نزدیكی اجسام با جرم بزرگ نظیر خورشید می‌گذرند.

▪ این دو موضوع را به‌یاد داشته باشیم:

۱) فضای «خالی» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژی آن‌ها مقداری عظیم یا مقداری بی‌نهایت از انرژی است.

۲) وجود این انرژی باعث خمیدگی فضا-زمان می‌شود.

تركیب این دو ایده ما را به این نتیجه می‌رساند كه كل جهان می‌بایستی در یك توپ كوچك پیچیده شده باشد. چنین چیزی روی نداده است! بدین‌سان موقعی كه از نظریه‌های نسبیت عام و مكانیك كوانتومی توامان استفاده می‌شود، پیشگویی آن‌ها اشتباه محض است.

نسبیت عام و مكانیك كوانتومی هر دو نظریه‌های فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترین دستاوردهای فیزیك در قرن گذشته هستند. از این دو نظریه نه‌تنها برای هدف‌های نظری بلكه برای بسیاری كاربردهای عملی، به‌نحوی درخشان استفاده می‌شود. با وجود این اگر آن‌ها را با هم در نظر بگیریم، نتیجه همانطور كه دیدیم بی‌نهایت‌ها و بی‌معنی بودن است. نظریه همه چیز باید به‌نحوی این بی‌معنا بودن را حل كند.

برگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and workنوشته Kitty Ferguson