نقدی بر پایان فیزیك نوشته هاوكینگ

انصافاٌ هاوكینگ در توضیح مطالب پیچیده و بغرنج فیزیك به زبان ساده مهارت خاصی دارد بهمین دلیل آثار عمومی ایشان از استقبال چشم گیری برخوردار است علاوه بر آن نام هاوكینگ به دلیل در دو كار جالب در مورد سیاه چاله ها جاودان خواهد شد

انصافاٌ هاوكینگ در توضیح مطالب پیچیده و بغرنج فیزیك به زبان ساده مهارت خاصی دارد. بهمین دلیل آثار عمومی ایشان از استقبال چشم گیری برخوردار است. علاوه بر آن نام هاوكینگ به دلیل در دو كار جالب در مورد سیاه چاله ها جاودان خواهد شد. یكی تكینگی و دیگری تبخیر سیاه چاله ها. این دو مورد زمینه ی یك بحث فراگیر جهانی را بین فیزیكدانان فراهم كرد. هرچند به اعتراف خود هاوكینگ در كتاب تاریچه زمان از فیزیكدانان روسی الهام گرفته بود، اما این هاوكینگ بود كه با محاسبات و معادلات ریاضی توانست توجه فیزیكدانان را به آن جلب كند. این نوشته نقدی است بر مقالات پایان فیزیك كه در سایت هوپا منتشر شد و مجموع آنها در اینجا و بطور یكجا فرهم شده است. در این نوشته برخی نكات مهم نوشته هاوكینگ مورد بحث قرار می گیرد.

هاوكینگ:

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

نظریه سی. پی. اچ. :

همه ی ذرات اعم از فرمیونها و بوزونها از ذرات واحدی تشكیل شده اند كه آن سی. پی. اچ. یا CPH, Creation Particle Higgs می نامیم. سی. پی. اچ. ها روی یكدیگر اثر دارند و این اثر بصورت تولید اسپین برای آنها نمودار می شود. سی. پی. اچ. ها پس از آنكه دارای اسپین شدند، با یكدیگر ادغام شده و كوانتومهای انرژی را به وجود می آورند. این كوانتومهای انرژی در فراینهای فیزیكی به زوج های ماده و پاد ماده تبدیل می شوند. در واقع بوزونها و فرمیونها از ذرات واحدی تشكیل می شوند كه سی. پی. اچ. نامیده می شود. اگر ما دیدگاه خود را از مورد نیرو و انرژی تغییر دهیم و این دو را هم ارز بدانیم (كه در حقیقت هم ارز هم هستند) آنگاه می توانیم دلیل تاثیر بوزنها بر فرمیونها و همچنین تاثیر بوزونها را بر یكدیگر توضیح دهیم.

هاوكینگ:

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.

نظریه سی. پی. اچ. :

هنگامیكه سی. پی. اچ. دارای اسپین است، گراویتون نامیده می شود.

هاوكینگ:

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 ریترمالیزیشن 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.

نظریه سی. پی. اچ. :

مشكل اصلی در فیزیك این است كه تلاش می كنند این دو نظریه، یعنی مكانیك كوانتوم و نسبیت را با یكدیگر سازگار سازند. در حالیكه با توجه به اصل هم ارزی نیرو و انرژی نیاز به تلاش زیادی نیست تا نسبیت و مكانیك كوانتوم با یكدیگر سازگار شوند. در واقع بایستی مكانیك كلاسیك، مكانیك كوانتوم و نسبیت را همزمان و با توجه به اصول و قوانین شناخته شده ی علمی كه از نظر تجربی نیز تایید شده مورد بررسی مجدد قرار داد. برای اینكار بایستی تعریف جدیدی از انرژی ارائه داد و با توجه با این تعریف ساختمان فوتون را تعریف كرد. با چنین نگرشی بینهایت های مشكل ساز بسادگی برطرف خواهند شد. بینهایت های موجود و مشكل ساز ناشی از نگرش موجود در مكانیك كوانتم به درات است كه ساختمان ذراتی نظیر فوتون و الكترون را قابل بررسی نمی داند. ابرریسمانها نیز قادر به ارائه ی راه اساسی نخواهند بود. زیرا در نظریه ریسمانها، یك ریسمان یك واحد بسیار كوچك انرژی است. اما در این نظریه هم نگرش نوینی به انرژی دیده نمی شود. در حالیكه نظریه سی. پی. اچ. كار را با یك نگرش نوین و انقلابی از خود انرژی آغاز می كند.

هاوكینگ:

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.

نظریه سی. پی. اچ. :

به جای آنكه اصل عدم قطعیت را به نسبیت تعمیم دهیم، باید به این نكته ی بسیار مهم توجه كنیم كه همه ی جهان از كوانتوم ها (انرژی، اتم، ذرات زیر اتمی) تشكیل شده اند. بنابراین همان قوانینی را كه بر این ذرات حاكم است می توانیم به تمام جهان تعمیم دهیم. در نظریه سی. پی. اچ. فضا از سی. پی. اچ. انباشته شده است. سی. پی. اچ. ها روی یكدیگر كار انجام می دهند و كوانتوم های انرژی را تولید می كنند. در مكانیك كوانوتم هیچ توضیحی وجود ندارد كه چرا فضا از فضا از ماده و پاد ماده انباشته شده است و تنها اصل عدم قطعیت مجوز آن را صادر كرده است. در حالیكه در نظریه سی. پی. اچ. ضمن توضیح كافی برای آن، دلیل اینكه چرا در فضا ماده وجود دارد یا فضا به تولید ماده و پاد ماده می پردازد ارائه می شود.

همچنین در نسبیت عام با توجه به اصل هم ارزی فضا دارای انحنا است. در حالیكه در نظریه سی. پی. اچ. انحنای فضا كاملاً توجیه شهودی دارد. همین دلایل شهودی و ملموس نشان می دهد كه فضا باایستی دارای انحنا باشد و میزان انحنای فضا نیز تابع چگالی سی. پی. اچ. در فضا است.

هاوكینگ:

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.

نظریه سی. پی. اچ. :

نظریه همه چیز با گذشت سالهای متمادی و كار مداوم فیزیكدانان روی آن هنوز نتوانسته این مشكل را حل كند. زیرا همچنانكه گفته شد، بدون توجه به هم ارزی نیرو و انرژی این مشكل قابل حل نخواهد بود.

ویژگیهای برجسته نظریه سی. پی. اچ

در این نظریه بر خلاف نظریه ریسمانها می توان علت ثابت بودن سرعت نور و مسیر منحی شكل نور را در میدانهای گرانشی توضیح داد.

در واقع:

نظریه سی. پی. اچ. هر سه نظریه ی مكانیك كلاسیك، مكانیك كوانتومی و نسبیت را پوشش می دهد.

بسیاری از پدیدهای فیزیكی كه نظرات قدیمی و حتی نظریه ریسمانها قادر به توضیح انها نیستند، در نظریه سی. پی. اچ. بسادگی قابل توضیح دادن است. منشاء زمان و شرایط پیدایش جهان قابل مشاهده (بینگ بنگ) توضیح داده می شود. در فیزیك تا به حال همواره از تاثیر نیرو بر اجسام صحبت می شود. نظریه سی. پی. اچ. اولین نظریه ای است كه از تاثیر اجسام بر نیرو سخن می گوید. نظریه سی. پی. اچ. فیزیك را از حالت یك دانش پیچیده و خشك، به صورت یك دانش ساده و شهودی در آورده است. از زمان مطرح شدن نظریه ریسمانها به دلیل آنكه توان توضیح پدیده ها را با همان ده بعدی كه در آغاز بیان كرده بود نداشت، دائم بر تعداد ابعاد آن افزوده می شود و امروزه تلاش می شود با بیست و شش بعد به توضیح جهان بپردازد. در حالیكه نظریه سی. پی. اچ. نیازی ندارد ابعاد اضافی را بكار گیرد. در ساختار كلان حهان همان قانونی حاكم است كه در كوچكترین واحدهای كمیت های طبیعت حاكم است. یعنی قوانین جهان میكروسكپی را می توان به جهان ماكروسكپی تعمیم داد و این كاری است كه نظریه سی. پی. اچ. انجام داده است. امید است نظریه ی سی. پی. اچ. بتواند در گسترش بحثهای علمی در دانشگاه های كشور موثر واقع شود. گسترش بحث و تبادل نظر در زمینه های علمی می تواند در نهادینه شدن گفتمان منطقی در جامعه مفید باشد.

نوشته : حسین جوادی