مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

پايان فيزيك

برگرفته از كتاب

Stephen Hawking - The story of his life and work

بخش اول
استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين

در 29اوريل 1980 در سالن كنفرانس كوكرافت در كمبريج انگلستان جايي كه عرصه باليدن تامسونو راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روي صندلي‌هاي رديف‌شده بر كف شيب‌دارسالن 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) رياضيبرقرار شده بود. اين پروفسور استفن ويليام هاوكينگ رياضي‌دان و فيزيك‌دان 38 سالهبود.
عنوان خطابه يك سوال بود:
آيا دورنماي پايان فيزيك نظري ديدهمي‌شود؟
و هاوكينگ با اعلام اين كه پاسخ او به اين سوال مثبت است، شنوندگانرا شگفت‌زده كرد! او از حضار دعوت كرد تا به او بپيوندند و با گريزي شورانگيز ازميان زمان و مكان جام‌مقدس علم را بيابند. يعني نظريه‌اي كه جهان و هر چه را كه درآن روي مي‌دهد، تبيين كند.
استفن هاوكينگ در حالي كه يكي از شاگردانش خطابهاو را براي جمعيت گرد آمده قرائت مي‌كرد. روي صندلي‌چرخ‌دار نشسته بود. در يك قضاوتظاهري به‌نظر نمي‌رسيد كه او انتخاب مناسبي براي رهبري يك كار خطير باشد. فيزيكنظري براي او گريز بزرگي از يك زندان بود. زنداني بسيار بدتر از آن‌چه در موردآزمايشگاه‌هاي قديمي كاونديش به طعنه بيان مي‌شد. از اوايل بيست سالگي او با بيمارياز كار افتادگي روزافزون كه از مرگ زودرس او خبر مي‌داد، مي‌ساخت. هاوكينگ مبتلا بهاسكلروز جانبي آميوتروفيك(Amyotrophic Lateral Sclerosis) يا ALS بود و زماني كهكرسي لوكاشين رو عهده‌دار شد، ديگر توانايي راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را نداشت واگر سرش به پايين مي‌افتاد نمي‌توانست آن را بلند كند. صحبت كردن او غير مفهوم وفقط براي كساني كه وي را خوب مي‌شناختند قابل درك بود. براي خطابه لوكاشين، او بازحمت فراوان متن مورد نظر خود را قبلاْ ديكته كرده بود تا شاگردش بتواند، آن راقرائت كند. اما هاوكينگ معلول نبوده و نيست. او يك رياضي‌دان و فيزيك‌دان برجستهاست و بسياري او را برجسته‌ترين فيزيك‌دان پس از انيشتين مي‌دانند. كرسي لوكاشين يكمقام آكادميك ممتاز است كه زماني سر آيزاك نيوتن عهده‌دار آن بود.
هاوكينگضمن مبارزه دائمي با بيماري لاعلاجش همواره در تلاش براي دستيابي به پاسخ اين سوالاصلي كيهان‌شناسي بوده است كه اين جهان از كجا آمده و به كجا مي‌رود؟ زندگي اوتلاشي 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 قواعدخلاصه كند. موقعي كه نظريه نسبيت عمومي انيشتين را براي توضيح برخي ويژگي‌هايفيزيكي سياهچاله‌ها ناتوان مي‌بيند، به مكانيك كوانتومي متوسل مي‌شود. سعي مي‌كنداين 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 سياهنيستند! 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 هاوكينگشهرت دارند. اما چيزي كه زندگي هاوكينگ را متمايز مي‌كند، اميد است. 39 سال از اززماني كه پزشكان براي هاوكينگ عمري دو يا سه ساله در حالي كه تكه‌گوشتي بيشترنخواهد بود پيش‌بيني كرده بودند، مي‌گذرد. او هنوز با بيماريي كه تمام عضلات او رااز كار انداخته است، مبارزه مي‌كند و كماكان به حيات پربار خود ادامه مي‌دهد. پياماو به ديگران همواره اين بوده است كه به بيماري‌اش نينديشند.

بخش دوم
قواعدي پشت قواعد ديگر

هر ماده‌اي كه بينديشيم درجهان وجود دارد(مردم، هوا، يخ، ستارگان، گازها، ميكروب‌ها، صفحه مانيتور شما) ازاجزاء ساختاري بسيار ريزي به‌نام اتم تشكيل شده اند. مي‌دانيم كه اتم‌ها بنوبهخودشان از موجودات كوچكتري به نام ذرات و يك فضاي خالي بسيار بزرگ(در مقايسه باابعاد اين ذرات) ساخته شده‌اند. همچنين مي‌دانيم كه برخي از ذرات خود از ذراتريزتري تشكيل شده‌اند.

ذرات مادي رو كه همگي مي‌شناسيم. پروتون‌ها ونوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم روبه‌نام كلي فرميون‌‌ها مي‌شناسيم.

فرميون‌ها يك سيستم پيام‌رساني دارند كهبين آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌هاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتيدر 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 4سرويس فوق براي رد و بدل كردن پيام بين همديگر استفاده نمي‌كنند.

در موردذرات مادي هم سيستم پيام‌رساني وجود دارد كه سرويس‌هاي چهارگانه‌اي دارد. اينسرويس‌ها را نيرو مي‌ناميم. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميون‌ها و دربرخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. اين ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخصبوزونBoson ناميده مي‌شوند.

پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميونهست 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 گراويتونناميده مي‌شود. گراويتون‌ها حامل پيامي بين ذرات اتم‌هاي بدن ما و ذرات اتم‌هايزمين هستند و به ذرات مذكور مي‌گويند كه به‌هم نزديك شوند.

نيروي دوم يانيروي الكترومغناطيس پيام‌هايي هست كه به‌وسيله بوزون‌هايي به‌نام فوتون بينپروتون‌هاي درون هسته يك اتم و الكترون‌هاي نزديك به آن، يا بين الكترون‌ها رد وبدل مي‌شوند. اين پيام‌ها موجب مي‌شوند كه الكترون‌ها دور هسته گردش كنند. درمقياس‌هاي بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان مي‌دهند. سومين سرويسپيام‌رسان نيروي قوي است كه موجب مي‌شود هسته اتم يكپارچگي خود را حفظ كند وچهارمين سرويس نيروي ضعيف است كه موجب راديواكتيويته مي‌شود.

فعاليت اين 4نيرو 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 اينكه بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثير بگذارد. بزبان ساده‌تر:

اگرچيزي بوسيله اين چهار نيرو روي ندهد، اتفاقي نخواهد افتاد.

درك كامل اينچهار نيرو به ما امكان مي‌دهد تا اصولي را كه مبناي همه رويدادهاي جهان هست، درككنيم.

بسياري از كارهاي فيزيك‌دانان قرن بيستم براي آگاهي بيشتر از طرز عملاين 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 هردو اجزاي يك سيستم واحدند كه به دو طريق متفاوت جلوه‌گر مي‌شوند. آگاهي از اينواقعيت موجب يگانگي دو سيستم پيام‌رساني خواهد شد. به طريق مشابهي فيزيك‌دان‌ها تاحدودي با موفقيت سعي كردند نوعي يگانگي بين نيروها رو استنباط كنند. آنها اميدواربودند نظريه‌اي بيابند كه در غايت امر هر چهار نيرو را بوسيله يك ابرنيرو توجيهكند. نيرويي كه خودش را به‌گونه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد و نيز موجب يگانگي فرميون‌هاو بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيك‌دان‌ها اين نظريه را نظريه يگانگي نامدادند. اين نظريه بايد دنيا را توجيه كند. يعني نظريه همه چيز بايد يك قدم پيش‌تربرود و به اين سوال پاسخ بده: دنيا در لحظه آغاز قبل از اين كه زماني بگذرد، چگونهبوده است؟

فيزيك‌دان‌ها همين سوال را بزبان خودشان با اين عبارت بيانمي‌كنند كه: شرايط اوليه يا شرايط مرزي در آغاز جهان چه بوده است؟

درك كاملابرنيرو ممكن هست كه درك شرايط مرزي را هم براي ما امكان‌پذير كند. از طرف ديگرممكن 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 طرفمشغول كار هستند تا به «نظريه همه‌چيز» ( از منشا آلماني= Weltformel ) دست پيداكنند.

بخش سوم

نظريه‌ها

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در بارهجرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اينسطوح بسيار خوب است.

مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت رامانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريهاصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصلهيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت(تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقتبدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيليموفق بوده بوده است.

يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يكنظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آنعمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عاماينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

اما اگر نيروي گرانش را مانند پيامبين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. قبلاْ ديديم كه شما مي‌توانيدنيرويي را كه شما را روي زمين نگه مي‌دارد، مثل تبادل گراويتون‌ها(همانپيام‌رسان‌هاي گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، درنظر بگيريد. در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما چونهمه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسياربغرنج 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 راري‌نرماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين بارهمي‌گويد: 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 اينروش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگريبراي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك استولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اينروش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.

استفاده از روشبازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روشموفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيرويالكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش كه هاوكينز در خطابه لوكاشينخود بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه در ا» اشياء بنيادي جهان، بصورتريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حلنشده است.

راه ديگر

از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را برايمطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكارگيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانشمي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟

همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت(Uncertainty principle) نمي‌توان بادقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زياديخواهد شد؟ در ادامه خواهيم ديد كه استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به چه نتايج شگرفيدست يافته است.

سياهچاله‌ها سياه نيستند!

شرايط مرزي ممكن است بهاين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم، يكي ديگرهم اضافه كنيم:

فضاي خالي، خالي نيست

در ادامه خواهيم ديد كه چگونهمي‌توان به اين نتيجه رسيد. فعلا همينقدر بدانيم كه اصل عدم قطعيت بدان معني است كهفضا مملو از ذره و پادذره است!

نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويدكـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونهخميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكياجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.

اين دو موضوع را به‌ياد داشتهباشيم:

1- فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آن‌هامقداري عظيم يا مقداري بي‌نهايت از انرژي است.

2- وجود اين انرژي باعثخميدگي فضا-زمان مي‌شود.

تركيب اين دو ايده ما را به اين نتيجه مي‌رساند كهكل 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 استفادهمي‌شود، پيشگويي آن‌ها اشتباه محض است.

نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دونظريه‌هاي فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترين دستاوردهاي فيزيك در قرن گذشته هستند. ازاين دو نظريه نه‌تنها براي هدف‌هاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي، به‌نحويدرخشان استفاده مي‌شود. با وجود اين اگر آن‌ها را با هم در نظر بگيريم، نتيجههمانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است. نظريه همه چيز بايد به‌نحوي اينبي‌معنا بودن را حل كند.

بخش چهارم

آيا پيش‌گويي ممكناست؟

نظريه همه‌چيز بايد بتواند اين امكان را به‌شخصي كه جهان ما رانديده است، بدهد كه همه چيز را پيش‌گويي كند. با چنين نظريه‌اي شايد بشود خورشيدهاو سيارات و كهكشان‌ها و سياه‌چاله‌ها و كوزارها را پيشگويي كرد. اما آيا مي‌شودبه‌وسيله آن برنده مسابقه اسب‌دواني سال أينده ايالت كنتاكي را پيشگويي كنيم؟ آيااين پاسخ قابل اعتماد است؟ نه‌چندان!

محاسبات لازم براي بررسي همه داده‌هايجهان 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 استفادهاز نظريه نيوتن محاسبه كنيم، اما نمي‌توانيم همين محاسبات را دقيقاْ براي حركتسه‌جسم انجام دهيم! علت آن نيست كه قوانين نيوتن در مورد بيش از دو جسم صادقنيستند. بلكه پيچيدگي رياضي معادلات كار را سخت مي‌كند. لازم به يادآوري هم نيست كهدر جهان واقعي با بيش از سه جسم روبرو هستيم.

ما در خصوص سلامتي خود نيز باوجود اين كه به شالوده اصول دانش پزشكي، شيمي، بيولوژي بسيار مسلط هستيم،نمي‌توانيم پيش‌گويي كنيم. در اينجا نيز مساله آن هست كه ميلياردها ميلياردرويدادهاي جزئي در سيستم بدن انسان وجود دارد.

با دستيابي به نظريه همه چيزما هنوز به طرز گيج‌كننده‌اي از پيش‌گويي همه‌ چيزها دور خواهيم بود. حتي اگر اصولزيربنايي ساده و به‌خوبي فهميده شده باشند، نحوه عملكرد آن‌ها فوق‌العاده پيچيدهاست. پس اين كه چه اسبي در مسابقه اسب‌دواني سال آينده كنتاكي برنده مي‌شود، بانظريه همه‌چيز قابل پيشگويي است. اما هيچ كامپيوتري نمي‌تواند تمام داده‌هاي اينپيشگويي را در خود جاي داده و معادلات آن را حل كند. آيا اين درست است؟

آريو خير! زيرا يك مسئله ديگر باقي است! اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتومي!!! در سطحبسيار ريز يعني سطح كوانتومي جهان، اصل عدم قطعيت توانايي ما را براي پيش‌گوييرويدادها بسيار محدود مي‌كند.

ساكنان عجيب و گرفتار دنياي كوانتوم‌ يعنيفرميون‌ها و بوزون‌ها را در نظر بگيريد. اين‌ها باغ‌وحش عظيمي از ذرات را تشكيلمي‌دهند. الكترون‌ها و پروتونها و نوترونها در ميان فرميون‌ها وجود دارند. هرپروتون و نوترون به نوبه خود از سه كوارك كه آن‌ها هم فرميون هستند، تشيل شده است. بعد بووزن‌ها را داريم. فوتون‌ها پيام‌رسان نيروي الكترومنيتيك، گراويتون‌هاپيام‌رسان نيروي جاذبه، گلوئون پيام‌رسان نيروي قوي و wها و Zها پيام‌رسان نيرويضعيف هستند. دانستن اين كه اين‌ها و خيلي از موجودات شبيه آن‌ها كجا هستند؟ به كجامي‌روند؟ و با چه سرعتي مي‌روند، ممكن است ما را ياري كند. اما آيا مي‌توانيم اينچيزها 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 دورخورشيد، دور هسته اتم مي‌گردند. ما اكنون مي‌دانيم كه مدارات الكترونها را نمي‌توانبه اين دقت و وضوح رسم كرد. بهتر اسن بجاي آن مدار الكترون‌ها را بصورت پراكنده ونامشخص شبيه ابري در اطراف هسته تصور كنيم. اين وضعيت در مورد همه ذرات ديگر هم بههمين شكل است. اصل عدم قطعيت همانطور كه گفته شد، مي‌گويد كه نمي‌توان با دقتبه‌طور همزمان مكان و سرعت يك ذره را تعيين كرد. موضوع مثل الاكلنگي است كه پايينرفتن يك سمت آن، منجر به بالا رفتن سمت ديگر مي‌شود. هر چه سرعت را دقيق‌تر اندازهبگيريم دقتمان در تعيين مكان ذره كمتر مي‌شود و برعكس هر چه مكان دقيق‌تر پيش‌بينيشود، سرعت ذره را با دقت كمتري مي‌توان تعيين كرد. در دنياي كوانتوم موشكافي بيشتربه ويراني مي‌انجامد. براي توصيف مدار يك ذره بهترين راه آن است كه همه راه‌هايي راكه آن ذره مي‌تواند حركت كند، بررسي و محاسبه كنيم. اين عمل ما را به مبحث احتمالاتمي‌كشاند. در نهايت فقط مي‌توانيم بگوييم كه اين ذره احتمال دارد در فلان مسير حركتكند و احتمال دارد فلان‌جا باشد. با تمامات ابهامات چنين راهي، استفاده از آناطلاعات مفيدي به ما مي‌دهد.

در فيزيك كوانتومي فيزيك‌دانان راه‌هايماهرانه‌اي ابداء كرده‌اند تا زيركانه ذرات را مشاهده كنند. اما كارشان بي‌ثمرمانده است. علت آن نيست كه ما هوشيارانه عمل نكرديم يا بهترين ابزار مشاهده واندازه‌گيري را به‌كار نگرفته‌ايم. دنياي ذرات حقيقتاْ مبهم و غير قطعي است.

تعجب‌آور نيست كه هاوكينگ در سخنراني لوكاشين خود از مكانيك كوانتومي بهعنوان «نظريه‌اي در باره آن‌چه نمي‌دانيم و نمي‌توانيم پيش‌گويي كنيم» ياد كرد.

بخش پنجم

بازنگري در هدف علمفيزيك

با در نظر گرفتن محدوديت‌هايي كه از آن‌ها ياد شد،فيزيك‌دانان تعريف جديدي را از علم ارائه كرده‌اند: نظريه همه چيز مجموعه‌اي ازقوانيني خواهد بود كه پيشگويي رويدادها را تا حدي كه اصل عدم قطعيت معين كرده است،امكان‌پذير مي‌سازد!

اين بدان معني است كه در بسياري موارد بايد بهاحتمالات راضي شويم و از گرفتن نتايج مشخص و دقيق صرف‌نظر كنيم!

استيونهاوكينگ مسئله را چنين جمع‌بندي مي‌كند! او در پاسخ اين سوال كه آيا همه چيز از پيشبه طور جبري به وسيله خدا يا نظريه همه چيز تعيين شده است؟ مي‌گويد:

ولياين امكان هم وجود دارد كه چنين نباشد! زيرا هرگز ممكن نيست كه ما بدانيم چه چيزياز پيش معين شده است! اگر نظريه از پيش تعيين كرده است كه ما بايد با چوبه داراعدام شويم، بنابراين در آب غرق نخواهيم شد. اما قبل از اين كه سوار يك قايق كوچكدر دريايي طوفاني شويم، بايد اطمينان داشته باشيم كه سرنوشت ما براي اعدام با چوبهدار مقدر شده است!

به نظر هاوكينگ ايده آزادي اراده، نظريه تقريبي بسيارخوبي در باره رفتار بشر است!

اگر منصف باشيم، بايد بگوييم كه همهفيزيك‌دانان گمان نمي‌كنند كه «نظريه همه چيز» وجود دارد يا اگر هست، دستيابي به آنبراي ما ميسر است. بعضي از آن‌ها بر اين باورند كه علم با باريك‌بيني و اكتشافاتپي‌ در پي به باز كردن اطاق‌هاي تو در توي اسرار ادامه خواهد داد ولي هيچ‌گاه بهآخرين اطاق نمي‌رسد. برخي ديگر چنين استدلال مي‌كنند كه رويدادها مسلماْ به‌طوركامل قابل پيش‌بيني نيستند و به‌طور تصادفي اتفاق مي‌افتند. برخي اعتقاد دارند كهخدا و موجوداتي مثل بشر بسيار بيش از آن‌چه نظريه همه چيز ممكن است اجازه دهد، ازآزادي كنش و واكنش در چارچوب جهان برخوردار هستند. آنها مي‌گويند كه موضوع مثلنواختن يك موسيقي از پيش نوشته شده توسط اركستر است. باز هم نوازنده امكان آفرينشزيادي در نواختن نتها دارد. امكاني كه از پيش معين نشده است!

به هر رو چهيك نظريه رسا و كامل براي توضيح جهان هستي در دسترس بشر باشد يا اميد دسترسي به آندر آينده وجود داشته باشد، افرادي بين ما هستند كه مي‌خواهند در راه دسترسي به آنكوشش كنند. ما موجوداتي دلير و داراي حس كنجكاوي سيري‌ناپذير هستيم. منصرف كردنبرخي از ما مثل استيون‌هاوكينگ از چنين راهي، كار دشواري است. موري گلمان فيزيك‌دانديگري از Caltech كه او نيز چنين كوششي دارد، مي‌گويد: تكاپو براي فهميدن اين جهان،اين كه از كجا آمده است و چگونه كار مي‌كند، سترگ‌ترين و ماندگارترين ماجراي زندگيبشر است. دشوار است كه در نظر آريم كه مشتي ساكنان سياره كوچكي در گردش به‌دور يكستاره ناچيز در كهكشاني كوچك، سودايشان فهم همه اين جهان پهناور باشد! ذره بسيارخردي از هستي بر اين باور باشد كه توانايي فهم همه جهان هستي را دارد!

بخش ششم

گرانش

از گرانش و نور چه مي‌دانيم؟

گرانش (جاذبه) يكي از نيروهاي چهارگانه و براي ما از همه آشناتر است.

در كودكي بهما ياد داده‌اند كه هنگامي كه بستني مي‌خوريم، اگر روي قالي بريزد يا وقتي از رويتاب به زمين مي‌افتيم، گناه از نيروي گرانش است. اگر از شما بخواهند حدس بزنيد كهآيا نيروي جاذبه خيلي ضعيف يا خيلي قوي است، چه ميگوييد؟ احتمالا خواهيد گفت: « فوق‌العاده قوي است!». در اين صورت در اشتباه خواهيد بود. اين نيرو به‌مراتب، از سهنيروي ديگر ضعيف‌تر است. گرانشي كه در زندگي روزمره ما، اين قدر محسوس است، گرانشسياره بسيار بزرگي است كه روي آن زندگي مي‌كنيم يا در حقيقت، برآيند گرانش همه ذراتموجود در زمين است. سهم هر ذره، ناچيز است. براي اندازه‌گيري جاذبه گرانشي ضعيف بيناشياء كوچكي كه هر روز با آن‌ها سروكار داريم، به‌دستگاه‌هاي خيلي‌ دقيق،نيازمنديم. ضمن اين كه گرانش هميشه حالت جذب دارد و هرگز دفع نمي‌كند، پس خصوصيتجمع‌پذيري دارد.

جان ويلر فيزيكدان، مايل است گرانش را شبيه يك سيستمدموكراتيك فرض كند. هر ذره يك رأي دارد كه مي‌تواند بر هر ذره ديگر موجود در جهاناثر بگذارد. اگر ذرات جمع شوند و رأي جمعي بدهند(مثلاْ در يك ستاره يا زمين)، تأثيربيشتري اعمال مي‌كنند. جاذبه گرانش بسيار ضعيف تك‌تك ذرات، در اجسام بزرگي مثل زمينمانند همان راي دسته جمعي، با هم جمع مي‌شوند و نيروي قابل توجهي پديد مي‌آورند.

هر چقدر ذرات مادي كه يك جسم را تشكيل مي‌دهند، زيادتر باشد، جرم آن جسمبيشتر است. جرم با اندازه يك جسم تفاوت دارد. جرم تعيين مي‌كند كه چه قدر ماده درجسمي وجود دارد، يا تعداد آرا، در اين رأي دسته جمعي چقدر است (بدون توجه به تراكمو تفرق اين ذرات ماده)

سر ايزاك نيوتن، در سالهاي 1600 پروفسور كرسيلوكاشين رياضيات در كمبريج بود. وي همان مقامي را داشت كه هاوكينگ امروزه دارد. نيوتن قوانيني را كشف كرد كه چگونگي عمل گرانش را در شرايط كم و بيش عادي، توضيحمي‌دهند. نخست اين كه اجسام درجهان درحال سكون نيستند. آن‌ها به‌حال سكون نمي‌مانندتا نيرويي آن‌ها را با كشيدن يا راندن به حركت درآورد و سپس با « از كار افتادن » اين نيرو، بار ديگر به حال سكون درآيند. بلكه بر عكس، اگر جسمي كاملاْ به حال خودگذارده شود، در امتداد يك خط راست بدون تغيير جهت و تغيير تندي به حركت خود ادامهمي‌دهد. بهترين ديدگاه آن است كه فكر كنيم، در جهان، همه چيز در حال حركت است. مامي‌توانيم سرعت يا جهت حركت خود را نسبت به ساير اجسامي كه در جهان وجود دارند،بسنجيم، اما نمي‌توانيم آن را نسبت به سكون مطلق يا چيزي مثل شمال و جنوب، بالا ياپايين مطلق اندازه‌گيري كنيم.

به عنوان مثال، اگر كره ماه در فضا تنها بود،در حال سكون نمي‌ماند بلكه در امتداد خط راست بدون تغيير سرعت، به حركت خود ادامهمي‌داد.

البته اگر ماه واقعاْ تنها بود، امكان نداشت كه حركت آن را بهگونه‌اي كه گفته شد، بيان كنيم زيرا چيزي نبود كه حركت ماه را به آن نسبت دهيم. اماماه كاملاْ تنها نيست. نيرويي موسوم به گرانش، ماه را وادار مي‌كند كه تندي حركت وجهت حركت خود را تغيير دهد. اين نيرو از كجا مي‌آيد؟ اين نيرو از مجموعه آراء ذراتنزديك به‌هم (جسمي با جرم زياد) مي‌آيد كه همان زمين باشد. ماه در برابر اين تغيير،مقاومت مي‌كند و سعي مي‌كند كه حركت خود را روي يك خط راست نگه دارد. در همين حال،گرانش ماه نيز روي زمين تأثير مي‌گذارد. مي‌دانيم كه نمونه بارزش جذر و مداقيانوس‌هاست.

نظريه گرانش نيوتن به ما مي‌گويد كه مقدار جرم يك جسم، چگونهبر شدت گرانش بين آن جسم و جسم ديگر، تأثير مي‌گذارد. اگر عوامل ديگر تغيير نكنند،هر قدر جرم زيادتر باشد، جاذبه شديدتر خواهد بود. اگر زمين دو برابر جرم فعلي خودرا داشت، جاذبه‌‌اي كه بين زمين و ماه وجود دارد، نسبت به جاذبه كنوني آن، دو برابرمي‌شد. اما اگر فاصله ماه تا زمين، دو برابر فاصله كنوني بود، شدت جاذبه بين آنهايك‌چهارم شدت فعلي مي‌شد. (نظريه گرانش نيوتن را در كتب پايه فيزيك ببينيد)

نظريه گرانش نيوتن، نظريه بسيار موفقي بود و تا 200 سال بعد، مورد تجديدنظر واقع نشد. هنوز هم ما از آن استفاده مي‌كنيم در حالي كه مي‌دانيم، در بعضيشرايط، مثلاْ اگر نيروهاي گرانشي فوق‌العاده شديد باشند(به عنوان مثال در نزديكي يكسياهچاله)، يا زماني كه اجسام با سرعتي معادل نور حركت كنند، اين نظريه ديگر صادقنيست.

آلبرت اينشتين، در اوايل اين قرن، به مشكلي در نظريه نيوتن پي برد. دانستيم كه نيوتن، شدت گراني بين دو جسم را به فاصله آنها، مربوط مي‌دانست. درصورتي كه اين فرضيه درست باشد، اگر خورشيد در يك لحظه به هر دليلي به فاصله خيليدورتر از زمين برود، مي‌بايستي جاذبه بين خورشيد و زمين در همان لحظه تغيير كند. آيا چنين چيزي ممكن است؟

نظريه نسبيت خاص اينشتين مي‌گويد كه سرعت نور ثابتاست. در هر مكان از جهان و با هر سرعتي كه اجسام حركت كنند، سرعت نور تغيير ناپذيراست و هيچ سرعتي، بالاتر از سرعت نور نيست. نور خورشيد در زماني معادل 8 دقيقه بهما مي‌رسد. بنابراين، ما هميشه خورشيد را آن طور مي‌بينيم كه هشت دقيقه پيش بودهاست. اگر خورشيد از زمين دور شود، 8 دقيقه بعد، ما به هر اثري كه اين تغيير فاصلهداشته باشد، پي خواهيم برد. براي 8 دقيقه،‌ما خورشيد را در همان مدار مي‌بينيم كهقبلاً ديده‌ايم. مثل اينكه خورشيد حركتي نكرده است. به عبارت ديگر، اثر گراني يكجسم بر جسم ديگر، نمي‌تواند فوراْ تغيير كند! زيرا سرعت انتقال گرانش كه زيادتر ازسرعت نور نيست. اطلاع از اينكه خورشيد چه اندازه دور شده است، نمي‌تواند فوراْ ازطريق فضا به ما برسد. اين اطلاع‌رساني، به هر وسيله‌اي كه باشد، سريعتر از سرعتنور، يعني 300000 كيلومتر در ثانيه كه نخواهد بود. بنابر اين، روشن است كه اگربخواهيم در باره حركت اجسام در جهان گفتگو كنيم، واقع بينانه نخواهد بود كه تنها سهبعد فضا را در نظر بگيريم. اگر هيچ چيز نمي‌تواند سريعتر از نور منتقل شود، چيزهاييدر فاصله‌هاي نجومي، صرفاْ بدون يك عامل زمان نه براي ما وجود دارند و نه براي خودآن چيزها بين يكديگر! توصيف جهان در سه بعد همان قدر ناكافي است كه بخواهيم يك مكعبرا در دو بعد توصيف كنيم. بسيار پرمعني‌تر خواهد بود كه بعدي به‌نام زمان را بهابعاد ديگر اضافه كنيم. يعني بپذيريم كه در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضاـ زمان بپردازيم.

بخش هفتم

نسبيت عام و فضا - زمان

اينشتين چندين سال بي‌وقفه درتلاش بود تا نظريه‌اي در باره گرانش بيابد كه با آن‌چه خود او در باره نور و حركتنزديك به سرعت نور يافته بود، هم‌خوان باشد. او در سال 1915، نظريه نسبيت عام رااعلان كرد. بنابراين نظريه گرانش نه به عنوان نيرويي بين اجسام، بلكه بر حسب شكل وخميدگي فضا ـ زمان چهار بعدي، در نظر گرفته مي‌شود. در نسبيت عام، گرانش، هندسهجهان است.

برايس دويت، از دانشگاه تگزاس توصيه مي‌كند كه براي شروع فكركردن در باره اين خميدگي، مي‌توانيم فردي را تصور كنيم كه عقيده دارد كره زمين كروينيست، بلكه مسطح است و مي‌خواهد يك شبكه شطرنجي صاف، روي زمين پهن كند:

نتيجه را مي‌توان از درون يك هواپيما، در روزي با هواي صاف، روي كشتزارهايگريت‌پلينز آمريكا، نگريست. زمين، بين جاده‌هاي شمال جنوب و شرق ـ غرب به تكه‌هاييكه هر يك، يك مايل مربع وسعت دارد، تقسيم شده است. جاده‌هاي شرقي ـ غربي اغلب باخطوطي كه در طول چند كيلومتر بريدگي ندارد، ادامه مي‌يابد ولي در مورد جاده‌هايشمال ـ جنوب، وضع بدين منوال نيست. اگر يك راه شمالي ـ جنوبي را پي‌بگيريم، در هرچند مايل با پيش‌آمدگيها و پس‌رفتگيهايي، در شرق و غرب اين جاده، برخورد مي‌كنيم. اين بي‌قاعدگي‌ها، در اثر خميدگي زمين پديد مي‌آيند. اگر اين انحرافات را از بينببريم، جاده‌ها به هم نزديك شده و قطعاتي به وجود مي‌آيد كه كمتر از يك مايل مربعوسعت خواهند داشت.

در حالت سه بعدي، مي‌توان داربست غول پيكري را در فضاتصور كرد كه از اتصال ميله‌هايي راست با طول مساوي و زواياي 90 درجه و 180 درجهتشكيل شده باشد. اگر فضا مسطح باشد، ساختمان اين داربست بدون اشكال پيش مي‌رود. امااگر فضا خميده باشد، ساختمان داربست منوط به اين خواهد بود كه ميله‌ها را كوتاهتريا درازتر كنيم، تا روي خميدگي فضا جا بيفتد.

بر اساس نظريه اينشتين،خميدگي، به علت وجود جرم و انرژي ايجاد مي‌شود. هر جسم پرجرم بسيار بزرگ، در خميدگيفضا ـ زمان، نقش دارد. اجسامي كه در «امتداد خطي مستقيم در جهان حركت مي‌كنند»،مجبور به دنبال كردن مسيرهاي خميده‌اي هستند. يك تشك ورزش آكروبات را در نظربگيريم. فرض كنيم در مركز آن، يك توپ بولينگ وجود دارد كه تا اندازه‌اي در تشك، فرومي‌رود. يك توپ كوچك بازي گلف را روي تشك در امتداد يك خط مستقيم به‌نحوي رها كنيمكه از كنار توپ بزرگتر، بگذرد. توپ گلف، هنگامي كه به فرورفتگيهاي نزديك توپ،بولينگ كه در اثر آن به وجود آمده است، مي‌رسد، مسير خودش را تغيير مي‌دهد. احتمالدارد كه اين توپ، از اين هم فراتر رود. ممكن است مسير بيضي شكلي انتخاب كرده و بهعقب بازگردد. چيزي شبيه اين، زماني كه كره ماه روي مسير مستقيمي در نزديكي زمينقرار دارد، روي مي‌دهد. زمين، فضا ـ زمان را همان گونه منحرف مي‌كند كه توپ بزرگ،مسير توپ كوچك را تغيير مي‌دهد. مدار ماه، نزديكترين چيز به خط مستقيم، در فضا ـزمان منحرف شده است. ملاحظه مي‌كنيم كه اينشتين، همان پديده‌اي را كه نيوتن بهتوجيه آن پرداخته بود، تشريح كرده است. از نظر اينشتين، يك جسم با جرم زياد، موجبانحراف فضا ـ زمان مي‌شود. در نظريه نيوتن يك جسم بزرگ روي جسم كوچكتر، نيرو اعمالمي‌كند. نتيجه در هر دو حالت، تغيير مسير جسم كوچكتر است. طبق نظريه نسبيت عمومي، «ميدان جاذبه» و «خميدگي» دو مفهوم يكسان‌اند.

اگر مدارهاي سيارات منظومهشمسي را بر اساس نظريه‌هاي نيوتن و سپس با استفاده از نظريه اينشتين محاسبه كنيم،نتيجه، بجز در مورد عطارد، تقريباً يكسان خواهد بود زيرا عطارد نزديكترين سياره بهخورشيد است و بيشتر تحت تأثير جاذبه خورشيد، قرار مي‌گيرد. پيش‌بيني نتيجه ايننزديكي طبق نظريه اينشتين، اندكي با آنچه طبق نظريه نيوتن به دست مي‌آيد، متفاوتاست. مشاهدات نشان مي‌دهد كه مدار عطارد، با پيش‌بيني اينشتين، هم‌خواني بهتريدارد، تا نظريه نيوتن.

نظريه اينشتين، پيش‌گويي مي‌كند كه چيزهاي ديگري بجزماه و سيارات نيز، تحت تأثير خميدگي فضا ـ زمان قرار مي‌گيرند. مثلاً فوتونها (ذراتنور)، بايد در فضاي خميده حركت كنند. اگر باريكه نوري كه از ستاره‌اي دور سيرمي‌كند، مسير آن از نزديكي خورشيد بگذرد، خميدگي فضا ـ زمان در نزديكي خورشيد موجبمي‌شود كه اين مسير اندكي به طرف خوردشيد خميده شود همان گونه كه مسير توپ گلف بهطرف توپ بولينگ، اندكي منحرف مي‌شود. شايد هم مسير نور ستاره به نحوي خميده شود كهنور در نهايت با زمين برخورد كند. خورشيد خيلي نوراني‌تر از آن است كه بتوانيم نورستاره را در كنارش ببينيم مگر در حالت كسوف. اگر ما ستاره را در اين حالت ببينيم ومتوجه نباشيم كه خورشيد مسير نور ستاره را منحرف مي‌كند، برداشتي نادرست خواهيمداشت از اينكه نور از كجا به طرف ما مي‌آيد و ستاره دقيقاْ در كجاي آسمان جا دارد. ستاره‌شناسان، با استفاده از اين پديده، جرم اجسام آسماني را با اندازه‌گيري مقدارانحراف مسير نور ستارگان دور، حساب مي‌كنند. هر چه جرم اين «خم‌كننده» زيادتر باشد،خميدگي مسير نور بيشتر خواهد بود.

تا اينجا ما از گرانش، با در نظر گرفتنآنچه كه در مقياس بزرگ مشاهده مي‌كنيم، گفتگو كرديم. البته اين مقياسي است كه در آنگرانش در ستارگان، كهكشانها و حتي تمام جهان آشكار مي‌شود و اين همان مقياسي است كههاوكينگ در دهه 1960، با آن سروكار داشت اما، گرانش را مي‌توان در مقياسهاي بسياركوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش دراين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروي ديگر كه دوتاي آنهاتنها دراين سطح عمل مي‌كنند، دست يابيم. روش مكانيك كوانتومي براي در نظر گرفتننيروي گرانش بين ماه و زمين آن است كه اين نيرو را با تبادل گراويتونها (بوزونها ياذرات پيام‌رسان نيروي گرانش)، بين ذرات تشكيل دهنده اين دو كره در نظر بگيريم.

بخش هشتم

اگر روزي زمين فشرده شود!

به خاطر بياوريد كه ازنيروي گرانش بر روي زمين چه احساسي داريد. فرض كنيد كه مي‌خواهيد براي گذراندنتعطيلات به فضا برويد. در زمان غيبت شما، واقعه عجيبي در زمين روي مي‌دهد: زمينفشرده مي‌شود و به نصف اندازه اصليش مي‌رسد. در اين حال، زمين هنوز همان جرم قبليرا دارد، ولي اكنون فشرده شده است. پس از پايان اين مسافرت به زمين باز مي‌گرديد،فضاپيماي شما مدتي سرگردان مي‌ماند، تا محلي را كه قبل از فشرده شدن، از آن پروازكرده بود، پيدا كند. در اين مسير كه شعاع آن، برابر شعاع سابق زمين است، خود را باهمان سنگيني قبل از پرواز، احساس مي‌كنيد. كشش جاذبه زمين در آنجا تغييري نكرده استزيرا در جرم شما و جرم زمين، نسبت به سابق تفاوتي وجود ندارد. فاصله شما از مركزگراني (گرانيگاه) زمين نيز همان فاصله قبلي است(نيوتن را به ياد آوريد!). ماه نيزمانند گذشته دور زمين مي‌گردد. اما هنگامي كه فضاپيماي شما در همان مكاني كه از آنپرواز كرده بوديد فرود مي‌آيد (با شعاع بسيار كمتر و نزديكتر به مركز گرانش زمين)،گرانش در سطح جديد زمين چهار برابر مقداري است كه قبل از فشردگي زمين به ياد داريد. شما خود را بسيار سنگينتر احساس مي‌كنيد.

اگر واقعه بسيار شگفت‌انگيزتريروي دهد چه مي‌شود؟ چه مي‌شود، اگر زمين تا اندازه يك نخود فشرده شود، يعني تمامجرم زمين كه ميلياردها تن است، در فضايي آنقدر كوچك تمركز يابد؟ گراني در سطح اينكره نخودي آنقدر شديد مي‌شود كه سرعت گريز از آن، بيشتر از سرعت نور خواهد بود. زمين به يك سياهچاله تبديل مي‌شود. حتي نور هم نمي‌تواند از آن بگريزد. با وجوداين، در شعاعي از فضاي خارج آن، جايي كه سطح زمين قبل از فشردگي بوده، كشش گرانيزمين هنوز همان است كه امروز احساس مي‌كنيم. كره ماه مثل قبل، روي مدار خود در حركتخواهد بود.

تا آنجا كه ما مي‌دانيم، چنين داستاني روي نخواهد داد. سياره‌هابه سياهچاله تبديل نمي‌شوند. اما احتمال آ