بخش سوم ؛ استیون هاوکینگ ؛ قضیه تکینگی

بخش سوم ؛ استیون هاوکینگ ؛ قضیه تکینگی

بخش سوم ؛ استیون هاوکینگ ؛ قضیه تکینگی ؛ بنابر قضیه تکینگی او ستاره رمبنده باید درست مطابق آنچه ویلر پیش گویی کرده بود رفتار کند. این ستاره باید یک تکینگی تشکیل دهد که در آنجا زمان بازمی ایستد و قوانین فیزیک دیگر کارساز نیستند و حتی اگر به طور ناموزونی به درون خود منفجر شود، ماده بعدازاین اتفاق دیگر به گذشته خود رجعت نمیکند تا دوباره منبسط شود. هرستاره به افق رویداد خودش منفجر خواهد شد که درآنجابه سیاهچاله بدل خواهد شد.

اما پنروز اثبات کرد که فراسوی این نقطه ستاره رمبنده همچنان به فشرده شدن وکاهش ادامه میدهد. در واقع کوچک شدن شعاع آن با چنان شدت فزاینده ای ادامه خواهد یافت که سرانجام حجمش صفر و چگالی اش نامتناهی خواهد شد.

به بیان دیگر این ستاره از قوانین گرانش تا حد داشتن جرم اما بدون بعد، تخطی میکند. به همین ترتیب فضا-زمان و نور نباید فقط به داخل یک چاله فروکشیده شوند، این ها به طور نامتناهی با نقطه ای پیوند تنگاتنگ میخورند که درآن نقطه ناپدید می شوند.

تمام این اتفاقات در داخل افق رویداد خواهد افتاد وبنابراین غیرقابل مشاهده و نامریی خواهد بود. اما افق رویداد در هر حالتی منقبض یابه درون خود منفجر نمیشود:درنقطه ای که ستاره منفجرشونده به درون خود به سیاهچاله تبدیل میشود بدون تغییر باقی خواهد ماند.

بخش سوم ؛ ایده های پنروز

هاوکینگ شروع به مطالعه جزییات ایده های پنروز کرد و درضمن این مطالعه ایده ای بدیع و شگفت انگیز در ذهنش شکل گرفت. هاوکینگ از خود پرسید که آیا یک سیاهچاله میتواند به نحوی مسیر عکس را طی کند یا خیر.

وی سپس این ایده را درباره کل جهان هستی به کار گرفت. چه میشد اگر این عالم در حال انبساط در مسیر برعکس دیگر چیزی جز ستاره رمبنده عظیمی نباشد،زمان به داخل سیاهچاله میرود و نابود می شود: اگر این فرایند برعکس میشد،مستلزم آفرینش و ایجاد زمان بودوبه همین ترتیب فضابود.

ماده بایستی ازنقطه ای بی نهایت چگال اما بدون بعد ناشی شود واین نقطه باید مهبانگ(انفجار بزرگ)،اقلاً،همان عمل آفرینش باشد.

نظریه نسبیت دوطرفه عمل میکرد و صادق بود. با شدید شدن میدان گرانشی ، فضا-زمان ، ماده و تابش فشرده و متمرکز می شدند، با گسترش و تضعیف میدان گرانشی ، فضا-زمان باز وگشوده وتابش و ماده پخش میشوند.

هاوکینگ موفق شد نشان دهد که در گذشته دور یک تکینگی وجود داشته است که زمان از آن آغاز شده است و اگر عالم از انبساط باز میایستاد و شروع به انقباض میکرد سرانجام به درون خود میرسید و به یک تکینگی وبه اصطلاح «قرچ قروچ بزرگ» (big crunch) ختم میشد.

دراین صورت امکان دانستن این که پیش از آغاز عالم چه اتفاقی افتاده یا پس از پایان یافتن آن چه رخ داده، وجود نداشت زیرا تحت چنین شرایطی چیزی همچون زمان وجود نداشت و فضا هم در کنار ماده وجود نمی داشت.

بخش سوم ؛ نظریات و ایده های هاوکینگ در خصوص مهبانگ

در سال ۱۹۷۱ بود که ایده ای مبنی بر شکل گرفتن تعدادی «کوچک سیاهچاله» بعد از مهبانگ به ذهنش رسید. این سیاهچاله ها چندان متمرکز و چگال بودند که باوجودی که بزرگ تر از یک فوتون نبودند یک میلیارد تن ماده در آنها میگنجید. هاوکینگ نشان داد که این کوچک سیاهچاله ها یگانه اند ، این یگانگی ناشی از جرم عظیم و نیروی گرانش بسیار زیاد آنها است که پیروی از قوانین نسبیت را ایجاب می کند، درعین حال ابعاد این سیاهچاله ها باید چندان کوچک و ریز باشد که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی کنند.

در نتیجه این نظر مطرح شد که در آغاز نسبیت و مکانیک کوانتومی باید یکی بوده باشند. از لحاظ فلسفی ، دراین حال علم با دو امکان هیجانی و متناقض مواجه شده بود که هردو را میشد «پایان راه علم» نامید.

کوچک سیاهچاله ها نشانه این بودند که روزی باید نظریه ای پرداخته شود که همه چیز را توضیح دهد. درعین حال تعداد بیشتر سیاهچاله ها (که تکینگی ناشی از رمبشی گرانشی در آنها به معنای نفض تمام قوانین شناخته شده فیزیک و درنتیجه محال بودن پیشگویی آنچه در آینده اتفاق میافتد بود ) نشانه آن بودند که عالم به سادگی پذیرای توضیح علمی نیست.

دیدن درون سیاهچاله ها ناممکن شده بود و لی حدس و گمان در خصوص آنچه در درون این قلمرو ممنوع اتفاق میافتاد همواره امکان پذیر بود.

در همین حال ویلر به حدسی به نام «قضیه بی پرزی» دست یافت؛ بنابراین قضیه هر سیاهچاله در جایی که فقط سه پارامتر یعنی جرم، حرکت زاویه ای و بار الکتریکی اعتبار خود را حفظ میکنند پس از کوتاه زمانی به یک حالت پایا میرسد یعنی وقتی چیزی وارد سیاهچاله میشود فقط این سه کمیت پایسته میمانند.

هاوکینگ نشان داد که چگونه حدس ویلر میتواند در نظریه نسبیت بگنجد، قاعدتاً باید قوانین فیزیک در درون سیاهچاله ها نقض شود اما در آنجا هرج و مرج کامل برقرار نبود.

بخش سوم ؛ هاوکینگ و صندلی چرخ دار

در همین دوران بود که هاوکینگ با اینکه گرفتار صندلی چرخ دار شده و وصدایش نیز وضع وخیمی پیدا کرده بود به لحظه ی «یافتم یافتم» خود رسید که او را در مسیر کشف عمده اش قرار داد.

هاوکینگ به این فکر افتاد که در افق رویداد سیاهچاله ها برای پرتوهای نور چه اتفاقی میافتد؟ وی میدانست که پرتوهای نور گسیلیده از افق رویداد ، یعنی سطح سیاهچاله هرگز نمیتوانند به یکدیگر برسند زیرا به حالت معلق درمی آیند، نه قادرند که بگریزند ونه میتوانند که به داخل سیاهچاله ها کشیده شوند. در یک جرقه ناگهانی وی معنی این موضوع را دریافت.

مساحت سطح سیاهچاله ها هرگز نمیتواند کاهش پیدا کند. به بیان دیگر حتی اگر دو سیاهچاله در هم ادغام شوند، یکدیگر را نخواهند بلعید. برعکس مساحت سطح کل آنها فقط میتواند بدون تغییر باقی بماند یا افزایش یابد، هرگز نمیتواند کاهش یابد. معانی ضمنی این نظریه، کل تصور ما از سیاهچاله را دگرگون کرد.

هاوکینگ پی برده بود که رفتار سطح سیاهچاله ها شباهتی مرموز با قانون دوم ترمودینامیک دارد. بنابراین قانون، آنتروپی(یا بی نظمی) در داخل یک سیستم منزوی همواره بدون تغییر باقی میماند یا افزایش مییابد.

این قانون بیان میکند که چرا برخی فرایندها برگشت ناپذیرند( چون برگشت پذیر بودن آنها مستلزم کاهش آنتروپی است) درنتیجه آنتروپی جهتی را تعیین میکند که در آن جهت فرآیندی برگشت ناپذیر باید طی شودو از یک لحاظ، برجهتی دلالت میکند که زمان باید درآن به پیش برود. بنابراین انطباق رفتار سیاهچاله ها بر قانون دوم ترمودینامیک ، فرض عدم صدق هرگونه قانون فیزیکی در مورد آنها را مردود می شمارد.

بخش سوم ؛ هاوکینگ و محاسبات مربوط به سیاهچاله ها

تا آن موقع محاسبات مربوط به سیاهچاله ها براساس نظریه نسبیت انجام شده بود که در این نظریه رفتار اجسام بزرگ محسوب می شود و اتفاق هایی که در سطح زیراتمی افتاده و منطبق بر نظریه کوانتومی بوده اند با این دیدگاه که آثار زیر اتمی در ابعاد عظیمی چون ستارگان رمبنده کم اهمیت خواهند بود نادیده انگاشته شده اند. هاوکینگ نشان داد که این فرض خطا است.

بنابر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ تعیین همزمان موقعیت دقیق و تکانه (اندازه حرکت) دقیق یک ذره ناممکن است. حال اگر این اصل درمورد میدان ها -که میتوان آنهارا متشکل از ذرات پنداشت- اعمال شود نتایج قابل توجهی به دست میآید؛

فضا یک میدان است و درنتیجه اندازه گیری همزمان کمیت ها و آهنگ تغییرات آن با دقت مطلق ناممکن است ، از سویی فضا بنابر تعریف قطعاً تهی و خلأ است که این امر ایجاب میکند که اندازه میدان دقیقاً باید صفر باشد.

از آنجایی که اندازه گیری دقیق میدان هم از اندازه آن و هم از آهنگ تغییرش حاصل میشود، مطابق اصل عدم قطعیت هیچ میدانی نمیتواند اندازه دقیقاً صفر داشته باشد. به این ترتیب چیزی چون فضای تهی وجود ندارد و به جای آن حتی در فضا هم همواره کمترین عدم قطعیت وجود خواهد داشت؛ این عدم قطعیت را میشود نوسان بسیار کم دامنه درست از بالای صفر تا درست زیرصفر تصور کرد اما هرگز عملاً صفر نمی شود.

در خلآ هیچ چیز نمیتواند وجود داشته باشد پس برای توجیه نوسانهای دوسوی صفر ، می توان این امر را ناشی از کنار هم قرارگرفتن یک زوج ذرات مجازی دانست که متشکل از یک ذره و یک پادذره بوده و یکی از آنها مثبت و دیگری منفی است، کنارهم قرارگرفتن این ذرات، نابودی آنها را درپی دارد، این زوج ذرات پیوسته وجود واقعی مییابند و نابود می شوند ، تشکیل می شوند و یکدیگر را از بین می برند.

وجود سیاهچاله ها در فضا به معنای این است که این فرایند در تمامی پیرامون آنها در جریان است.

هاوکینگ اندیشید فضای افق رویداد نیز باید حاوی زوج ذرات مجازی باشد که به صورت گذرا وجود واقعی پیدا می کنند اما پیش از آنکه بتوانند خودشان را ازبین ببرند، باید تحت تأثیر سیاهچاله قرار گیرند، سیاهچاله ذره منفی را میرباید(جذب میکند) درحالی که ذره مثبت را به بیرون پرتاب میکند. این ذره به شکل تابش خواهد گریخت. سیاهچاله عملاً تابش گرمایی(یعنی گرما) گسیل میکند. بنابراین دارای دمایی قابل اندازه گیری است.

به همین ترتیب، ذره ای پرآنتروپی که به داخل سیاهچاله سقوط میکند سبب خواهد شد که مساحت سطح سیاهچاله افزایش یابد(مساحت سطح سیاهچاله پیرو شعاع شوارتسشیلد است که این شعاع هم به جرم دخیل در سیاهچاله وابسته است).

افزایش مساحت سطح سیاهچاله ، هرچقدر هم که کوچک باشد نشانه افزایش آنتروپی سیاهچاله است، اما اگر سیاهچاله آنتروپی دارد ، این امر حاکی از آن است که سیاهچاله باید دمایی داشته باشد.

این دما در عالم واقع باید ناچیز و تقریباً چشم پوشیدنی باشد،اما قطعاً در سیاهچاله وجود دارد. هاوکینگ نشان داده بود که سیاهچاله ها «سیاه» نیستند. آنها تابش؛گرما گسیل می کنند.

بخش سوم ؛ هاوکینگ و مفهومِ سیاهچاله های نامحدود

معنای ضمنی این مفهوم آن است که سیاهچاله ها درروهای (plug holes) نامحدودی در عالم نیستند که در پایین دست آنها ماده، فضا-زمان و قوانین فیزیک ناپدید شده باشند. حالا می شد این سیاهچاله ها را اشیایی تلقی کرد که درداخل عالم وجود دارند. این اشیا تابع قانون دوم ترمودینامیک هستند و انتروپی ودرنتیجه زمان دارند،نامریی نیستند ومی شود با قوانین فیزیک مشاهده شان کرد.

هاوکینگ این نظریه را در همایشی که در سال ۱۹۷۴ در آکسفورد برگزار میشد با صدای ناله مانند خود که به سختی قابل درک بود برای حضار توضیح داد و در پایان هم اعلام داشت که سرانجام سیاهچاله به صورت تابش خالص تبخیر خواهد شد و به بیان دیگر سیاهچاله در پایان راه خود منفجر خواهد شد.

مخاطبان در سکوت وحیرت از گفتههای هاوکینگ استقبال کردند اما جان تیلور ریاضیدان که سازمان دهنده همایش مزبور بود اعلام داشت: «متأسفم استیون، اما این حرفها به کلی بی معناست. »، هاوکینگ با حالت قهر از سالن بیرون رفت. یک ماه بعد هاوکینگ مقاله ای حاوی طرح کلی یافته هایش تحت عنوان «انفجارهای سیاهچاله؟» را در نشریه ی نیچر منتشر کرد. این مقاله یکی از زیباترین رساله ها در تاریخ فیزیک و هم ارز مقاله ی نسبیت عام اینشتین تلقی شده است. تیلور جوابیه ای خشم آگین و بی ثمر در نیچر منتشر کرد.

در ۳۲ سالگی به عضویت انجمن سلطنتی برگزیده شد و ۴ سال بعد به سمت استادی لوکاسی ریاضیات در کمبریج منصوب گردید. هاوکینگ که به دلیل پیشروی بیماری اش توانایی بلند کردن سر خود از روی سینه ، بدون کمک دیگران غذا خوردن، نوشتن و نیز تا حد زیادی از تکلم خود را از دست داده بود، قرایت متن سخنرانی خود به مناسبت نشستن به کرسی استادی لوکاسی با عنوان «آیا پایان فیزیک نظری نزدیک است؟» را به یکی از دانشجویانش سپرد.

بخش سوم ؛ هاوکینگ و نظریه همه چیز

او در این سخنرانی به مبحث «نظریه ی همه چیز » پرداخته بود. این نظریه توصیفی واحد و یکپارچه، سازگار و کامل از همه چیز فراهم میآورد(دراین حالت ، تمام ذرات بنیادی و تمام برهم کنشهای فیزیکی شناخته شده در عالم در یک مجموعه معادلات گنجانده میشوند. ) و پندار و توهم ماندگار تمامی فیلسوفان و دانشمندان از زمان یونان باستان به بعد بوده است.

او که فکر میکرد نظریه همه چیز تا پایان قرن بیستم کشف خواهد شد حتی نامزدی احتمالی در هشت بعد (ابر گرانش ) پیشنهاد کرد که بعداً معلوم شد پیچیده تر از آن است که تصور میشد در نتیجه هاوکینگ به نفع نظریه ابرریسمان ها در دیدگاههای خود تجدید نظر کرده است و اکنون پیشگویی میکند که موضوع نظریه ابرریسمان تا۲۰ سال آینده روشن خواهد شد و دراین صورت مسأله نهایی حل شده و ما به ماهیت همه چیز پی خواهیم برد.

هاوکینگ که به نیت کسب مقداری پول برای شهریه مدرسه دخترش این کار را آغاز کرده بود تصمیم گرفت طی تعطیلات تابستانی خود در آپارتمان اجاره ای اش در ژنو پیش نویس مزبور را مرور کند، ولی در همین ایام دچار انسداد نای شد که زنده ماندن او بدون دستگاه تنفس مصنوعی را غیرممکن میکرد.

جین دو گزینه پیش رو داشت: عمل جراحی نای شکافی که قدرت تکلم را برای همیشه از هاوکینگ سلب می کرد اما درعوض زنده ماندن او را تضمین میکرد یا مرگ او؛ جین گزینه اول را انتخاب کرد و پس از برگشتن به کمبریج هم برای تأمین هزینه های سرسام آور پرستار شبانه روزی و درمان از سازمانهای نیکوکاری در سراسر جهان درخواست کمک کرد.

یک انجمن خیریه آمریکایی کمکهای مالی لازم را در اختیار آنها گذاشت و یکی از خبرگان کامپیوتر از اهالی کالیفورنیا هم برنامه کامپیوتری خلق الساعه ای برای استیون هاوکینگ فرستاد که به وی امکان میداد با انتخاب کلمه موردنظرش از یک فهرست سه هزار کلمه ای با استفاده از کمترین حرکت انگشت با دیگران ارتباط برقرار کند.