گریز از چنگال تکینگی

نگاهی شخصی به نقش «استفن هاوکینگ» در کیهان شناسی

«استفن هاوکینگ» هدف خود را در زندگی علمی، تلفیق نسبیت عام اینشتین و نظریه کوانتوم قرار داده است. اگر این تلاش به موفقیت بینجامد نظریه گرانش کوانتومی را خواهیم داشت و زیرشاخه‌های مربوط به آن مانند کیهان‌شناسی کوانتومی و نظریه کوانتومی سیاهچاله‌ها. پیش از او «آلبرت اینشتین» نیز بخش عمده‌ای از زندگی خود را صرف وحدت‌بخشی به نظریه‌های گرانش و الکترومغناطیس کرده بود.

فضا و زمان مفاهیم بنیادی فیزیک‌ و تفکر بشر هستند. به سختی می‌توان گزاره‌ای علمی را تصور کرد که در آن، این دو مفهوم نقشی نداشته باشند. تحول مهمی که ابتدای قرن بیستم در تفکر انسان رخ داد، این بود که «اینشتین»۱ برای بیان نسبیت عام این دو مفهوم را ترکیب کرد. نیروی گرانش که بشر آن ‌را از زمان «نیوتن» می‌شناخت، در معادلات میدان ظاهر شد که از مفهوم ترکیبی فضا- زمان استفاده می‌کند. ساختار این معادلات به گونه‌ای است که نیازمند مفاهیم ریاضی نسبتاً جدید و پیچیده‌ای چون آنالیز تانسوری و هندسه ریمانی است که در آن خمیدگی فضا- زمان در اثر وجود انرژی و تکانه توصیف می‌شود. نکته مهم آن بود که در متریک یا شیوه اندازه‌گیری فواصل نقاط در فضا و زمان، این دو مفهوم دیگر مطلق و مجرد از یکدیگر نبودند. این تحول بنیادی بدون مقاومت نماند. به‌رغم اینکه پیش‌بینی‌های نظریه عام به سرعت بررسی و در آزمایش تایید شدند، دولت آلمان (یکی از کشورهایی که خود را پیشرو علم و صنعت می‌دانست) به دلیل دشمنی با شخص «اینشتین»، با نظریه نسبیت عام مخالفت کرد و آن را به عنوان فیزیک یهودی رد کرد. خوشبختانه قضاوت تاریخ نسبت به چنین اقدام‌هایی به اندازه همان رفتارها، بی‌رحمانه است و امروز چیزی به غیر از لبخند پژوهشگران تاریخ علم از آن مخالفت سرسختانه ولی نادرست و بیجا باقی نمانده است.

تحول دیگری که همزمان در فیزیک قرن بیستم رخ داد، پیدایش نظریه کوانتوم بود. ابتدا ذرات به عنوان کوانتوم‌ها یا بسته‌موج‌ها شناخته شدند که از قوانین مشابه امواج پیروی می‌کنند. احتمال ظهور آنها در آزمایش‌های گوناگون و خاصیت‌های قابل اندازه‌گیری آنها دارای تابعیت موجی است. نظریه کوانتوم سپس به میدان‌های میان ذرات و برهمکنش‌های میان‌ آنها گسترش یافت و نظریه کوانتومی میدان‌ها به دست آمد. پیش‌بینی‌های این نظریه در آزمایش‌های متعدد بررسی و با دقت‌های بسیار زیاد تایید شده است. از این رو مدلی برای برهمکنش میان ذرات به دست آمده ‌که به نام مدل استاندارد شناخته شده است. البته ذرات در فواصل بسیار کوچک برهمکنش می‌کنند.

حتی برهمکنش‌های الکترومغناطیسی که نیروی دوربردی است، به دلیل خنثی بودن الکتریکی ماده در ابعاد بزرگ‌تر دیده نمی‌شود. نیروی غالب در ابعاد نجومی و کیهانی، نیروی گرانش است که حرکت ماه و زمین و خورشید و منظومه خورشیدی و خوشه‌های ستاره‌ای و کهکشان راه شیری را تعیین می‌کند. از طرفی میدان گرانش دارای خواصی متفاوت از سایر برهمکنش‌های میان ذرات است و در چارچوب مدل استاندارد ماده قابل توضیح نیست. این موضوع انگیزه‌ای بود برای پژوهشگران قرن بیستم که تلاش کنند نظریه‌ای واحد ارائه دهند که در آن هم نظریه کوانتومی میدان‌های مدل استاندارد بگنجد و هم گرانش و نسبیت عام و فضا- زمان خمیده آن. با وجود گذشت چند دهه از آغاز این تلاش از زمان «اینشتین»، تاکنون چنین نظریه‌ای که مورد توافق جمع پژوهشگران فیزیک قرار بگیرد، ارائه نشده ‌است. نظریه‌ای به نام «ریسمان» یا «ابرریسمان» یکی از مهم‌ترین تلاش‌هایی است که تاکنون در این زمینه صورت گرفته است. اکنون حدود ۴۰ سال از زمانی که این نظریه مطرح شده است، می‌گذرد و جامعه فیزیک همچنان در انتظار پیش‌بینی‌هایی از نظریه «ریسمان» است که در آزمایش قابل تایید یا رد باشد. ابطال‌پذیری یکی از شرط‌های مهم یک نظریه علمی است. با وجود اینکه بیش از ۹۰ سال از سن نظریه نسبیت عام گذشته و در هیچ یک از آزمایش‌های انجام‌شده در زمین و فضا، پیش‌بینی‌های نسبیت‌ عام نقض نشده است، روشن است که این نظریه نمی‌تواند کامل باشد.

پس از طرح معادلات نسبیت عام که مجموعه‌ای است از چند معادله دیفرانسیل غیرخطی دارای مشتق‌های جزیی مرتبه دوم، به مرور حل‌های این معادلات محاسبه شدند. ابتدا «شوراتزشیلد» در سال ۱۹۱۶ موفق شد معادلات را در فضایی با تقارن کروی حل کند که به نام او شناخته می‌شود و در آن محدوده‌ای از فضا- زمان دیده می‌شود که از سایر محدوده‌های فضا- زمان جدا شده است. چنین محدوده‌ای که در آن کمیت‌هایی چون چگالی ماده و خمیدگی فضا- زمان به بی‌نهایت می‌رسند، بعداً سیاهچاله نام گرفتند. نقاطی که در آن کمیت‌ها به بی‌نهایت می‌رسند، تکینگی نام دارند و در مطالعه خواص فضا- زمان در نسبیت عام نقش مهمی دارند. سپس در سال ۱۹۲۱ ریاضیدانی به نام «فریدمان» دسته‌ دیگری از حل‌های معادلات نسبیت عام را در فضا- زمانی به دست آورد که در همه نقاط یکسان است.

این معادلات در کیهان‌شناسی نقش بسیار مهمی دارند و عالمی را پیش‌بینی می‌کنند که ایستا نیست. عالم فریدمانی دارای تحول است. پیش از آن «اینشتین» تلاش کرده بود با وارد کردن یک ثابت معروف به ثابت کیهان‌شناسی راه‌حلی ارائه کند که در آن عالم ایستا باشد. از یک سو چنین عالمی مانند گویی که روی یک سوزن ایستاده باشد، ناپایدار است و از سوی دیگر شواهد رصدی که ستاره‌شناس امریکایی به نام «هابل» یافت، نشان دادند که عالم در حال تحول و انبساط است. در چنین عالمی تکینگی در ابتدای عالم ظاهر می‌شود یعنی با برگردان کردن فرضی انبساط عالم، به شرایطی می‌رسیم که چگالی و دمای آن به ظاهر بی‌نهایت است.

در حل‌های پیچیده‌تری که از آن زمان تاکنون برای معادلات نسبیت عام ارائه شده نیز تکینگی وجود دارد. چون در طبیعت کمیتی که بی‌نهایت باشد، تاکنون مشاهده نشده است، بسیاری از پژوهشگران بر این باورند که بروز این تکینگی‌ها ناشی از کامل نبودن نسبیت عام است. در بررسی خواص هندسی فضا‌- زمان‌های دارای چنین تکینگی‌ها، برقراری اصل علیت و امکان برطرف کردن این تکینگی‌ها، دو پژوهشگر بریتانیایی به نام‌های «راجر پنروز» و «استفن هاوکینگ» نقش مهمی داشته‌اند. آنها موفق به اثبات چند قضیه مهم درباره شرایط بروز تکینگی‌ها و خواص فضا- زمان‌های دارای تکینگی شدند. از سایر کارهای مهمی که آنها انجام دادند، مقایسه ترمودینامیک و به خصوص مفهوم آنتروپی در توصیف سیاهچاله‌ها بود. همچنین «هاوکینگ» با به‌کار گرفتن نظریه کوانتومی میدان در نزدیکی یک سیاهچاله موفق شد وجود یک تابش گرمایی را پیش‌بینی کند که برخلاف انتظار از یک سیاهچاله گسیل می‌شود. ممکن است در آزمایش‌های آینده وجود چنین تابشی که «تابش هاوکینگ» نام‌ دارد، کشف شود؛ کشفی که در شناخت ما از ساختار فضا- زمان، سیاهچاله‌ها و نسبیت عام اهمیت زیادی خواهد داشت.

مشکل تکینگی ابتدای فضا- زمان در کیهان‌شناسی نقش مهمی دارد. اگر از قوانین شناخته‌شده فیزیک برای محاسبه شرایطی که عالم اولیه در آن به سر می‌برده استفاده کنیم، نتیجه عالمی بسیار داغ و فشرده است که مهبانگ نام دارد. با به کار بردن قوانین شناخته‌شده فیزیک، از جمله فیزیک اتمی، هسته‌ای و ترمودینامیک در کیهان‌شناسی به خواصی از عالم در ۱۴ میلیارد سال پیش می‌رسیم که نتیجه آن، پیش‌بینی‌های بسیار مهمی از خواص عالم امروزی است. یکی از این پیش‌بینی‌ها وجود تابشی است که از همه سو به نحوی یکسان به ما می‌رسد. چنین تابشی با دمای بسیار کم ۳ کلوین (۲۷۳درجه سانتیگراد زیر صفر) در زمان کنونی، بازمانده مستقیم مهبانگ است و تابش زمینه‌ای کیهان نام دارد که در سال ۱۹۶۵ کشف شد. علاوه بر آن، افت‌وخیزهایی به میزان ۱۰ میلیونیم کلوین در آن پیش‌بینی می‌شد که سال ۱۹۹۲ با پرتاب ماهواره‌ کوبی به فضا کشف شد.

هر دو این اکتشاف‌ها با دریافت جایزه نوبل، بالاترین پاداش را در حیطه علم از آن خود کردند که نشان‌دهنده اهمیت آنهاست. در کنار این موفقیت‌ها، مشکل تکینگی ابتدای عالم همچنان بر قوت خود باقی است. معادلات دیفرانسیل مانند معادله «فریدمن» در فیزیک نقش بسیار مهمی دارند. برای حل آن به غیر از خود معادله به اطلاعاتی نیاز است که شرایط مرزی یا شرایط آغازین نام دارند. برای حل مشکل شرایط آغازین عالم راه‌های مختلفی پیشنهاد شده است. از جمله راه‌های پیشنهادی نظریه‌هایی هستند که طبق آن عالم در ابتدا با سرعت بسیار زیاد رشد می‌کند. در چنین نظریه‌هایی که تورم نام دارند، اثر شرایط اولیه عالم از بین می‌رود. بنابراین شرایط اولیه هرچه بوده از بین رفته و از دید طرفداران این راه‌حل، نیازی به محاسبه‌ای برای تعیین شرایط اولیه نیست. مشابه این، دیدگاهی است که طبق آن همه شرایط اولیه ممکن وجود داشته‌اند و منجر به عالم‌های متفاوت شده‌اند.

دسته دیگری از راه‌های پیشنهادی، نظریه‌هایی هستند که شرایط اولیه‌ای در آن بروز نمی‌کند، مانند عالم ایستا یا عالمی که در آن تورم به صورت آشوبی رخ می‌دهد. در راه‌حل پیشنهادی «هاوکینگ» که از این دسته است، فضا- زمان در زمان‌های بسیار کوچک ماهیت خود را عوض می‌کند و به فضا- فضا تبدیل می‌شود. در مدل‌های ارائه‌شده «هاوکینگ»، تکینگی ابتدای عالم یا بروز نمی‌کند یا به صورت خفیف ظاهر می‌شود. دسته سوم نظریه‌هایی هستند که قصدشان توضیح شرایط اولیه از شرایطی است که عالم پیش از تکینگی آغازین در آن بوده است یا حتی از هیچ چیز.

پی‌نوشت‌

۱- با توجه به تلفظ اسم «Einstein» در زبان آلمانی، نگارش صحیح آن در فارسی «اَینشتَین» به فتح الف و ت و سکون سایر حروف است.

دکتر سپهر اربابی

دکترای کیهان‌شناسی و عضو پژوهشکده تحقیقات فیزیک نظری