نقدي بر ديدگاه هاي هاوکينگ

استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين
در ۲۹ آوريل ۱۹۸۰ در سالن كنفرانس كوكرافت در كمبريج انگلستان جايي كه عرصه باليدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روي صندلي‌هاي رديف‌شده بر كف شيب‌دار سالن كه مقابل ديواري پوشيده از وايت‌برد و پرده اسلايد بود، گرد‌هم آمده بودند. اين جلسه براي وضع اولين خطابه يك پروفسور جديد كرسي لوكاشين رياضي برقرار شده بود. اين پروفسور استفن ويليام هاوكينگ رياضي‌دان و فيزيك‌دان ۳۸ ساله بود. كرسي لوكاشين يك مقام آكادميك ممتاز است که زماني سر آيزاك نيوتن عهده‌دار آن بود.

عنوان خطابه يک سئوال بود: آيا دورنماي پايان فيزيك نظري ديده مي‌شود؟

و هاوكينگ با اعلام اين که پاسخ او به اين سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده كرد. او از حضار دعوت كرد تا به او بپيوندند و گريزي شورانگيز از ميان زمان و مكان جام‌مقدس علم را بيابند. يعني نظريه‌اي كه جهان و هر چه را كه در آن روي مي‌دهد، تبيين كند.

هاوكينگ همواره در تلاش براي دستيابي به پاسخ اين سوال اصلي كيهان‌شناسي بوده است که اين جهان از كجا آمده و به كجا مي‌رود؟ زندگي او تلاشي 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 قواعد خلاصه كند. موقعي كه نظريه نسبيت عمومي انيشتين را براي توضيح برخي ويژگي‌هاي فيزيكي سياهچاله‌ها ناتوان مي‌بيند، به مكانيك كوانتومي متوسل مي‌شود. سعي مي‌كند اين دو را درهم آميزد. فرضيه‌اي مطرح مي‌كند. فرضيه‌اش را مورد سوال قرار مي‌دهد. در راه كشف حقيقت به سوال‌هايي برمي‌خورد. فضاي خالي، خالي نيست، سياه‌چاله‌ها سياه نيستند، آغازها مي‌توانند پايان‌ها باشند و … حقيقت بسيار پيچيده و گريزان است. آيا هاوكينگ و دانشمندان ديگر روزي به نظريه همه چيز دست خواهند يافت؟

ديدگاه سي. پي. اچ.
اين که آيا دست يابي به يک تئوري براي همه چيز امکان پذير است يا نه، بستگي به اين دارد که ما از اين تئوري چه انتظاري داشته باشيم. اما تا جاييکه به آغاز و پايان جهان مربوط مي شود، يعني تئوري همه چيز توضيح دهد که آغاز جهان چگونه بوده و سرانجامش چه خواهد شد، باز هم بستگي به اين دارد که ما از آغاز جهان را از نظر مکاني و زماني چه تصوري داشته باشيم. اما قبل از تلاش براي يافتن پاسخ اين سئوال بايد ببينيم که آيا جهان محدود به شعاع ديد امروزي ما (همراه با ابزارهايي که امروزه به نعمت تکنولوژي از آنها استفاده مي کنيم) هست يا نه؟

در اوائل قرن بيستم، جهان قابل رويت اگر فراتر از کهکشان راه شيري هم بود، انبوه کهکشانها و کوزارها قابل تصور نبود. چه تضميني وجود دارد که ابزارآلات امروزي ما در ۵۰ سال ديگر در مقايسه با ابزارآلات آنروزي مانند زمان گاليله به عصر هابل نباشد؟

هرچند هيچ دليلي ندارد که تکنولوژي فردا جهان قابل رويت را با سرعت اعجاب انگيزي گسترش ندهد، اما دليلي هم نداريم که جهان قابل ديد، گسترش زيادي بيابد. لذا با توجه به مشاهدات امروزي بايستي نظريه هاي خود را پي ريزي کنيم.

حال به اين سئوال هاوکينگ برگرديم که مي گويد:” اين جهان از كجا آمده و به كجا مي‌رود؟” پاسخ سي. پي. اچ. به اين سئوال صريح و روشن است، جهان از جايي نيامده و به جايي هم نمي رود. جهان از سي. پي. اچ. ها ساخته شده که هيچ لحظه اي از عمر آنها نمي گذرد. سي. پي. اچ. ها در يک سياه چاله برو ميريزند، سياه چاله مطلقي را بوجود مي آوردند، سياه چاله ي مطلق منفجر مي شود و جهاني بوجود مي آيد.

از ديد نظريه سي. پي. اچ.، اين سي. پي. اچ. ها قطعات اوليه (سنگ بناي) همه چيزند. خود ساعت نيستند که زماني را نشان دهند، اما همه ي ذرات و اجسام موجود جهان را شکل مي دهند و آنها را بمنزله ي يک ساعت بوجود مي آورند. پس هر چيزي در اين جهان يک ساعت است. در لحظه اي خاص ساعتي شکل مي گيرد، تيک تاک هايش شنيده مي شود و در لحظه اي ديگر متلاشي مي شود و عمرش به پايان مي رسد و سي. پي. اچ. هاي سازنده ي آن در مکاني ديگر ساعت جديدي را بوجود مي آورند و اين داستان مکرر همچنان ادامه خواهد داشت.

و جهان قابل رويت نيز يک ساعت است، نه کمتر و نه بيشتر. و ما (هر انساني) خود ساعتي است که در دل ساعت بزرکتري تيک تاک مي کند.
شايد اين سئوال که جهان از کجا آمده و به کجا مي رود، ناشي از همين باشد که من (ساعت) در لحظه اي بوجود آمدم و دنبال يافتن پاسخ اين سئوال بودم که از کجا آمده ام، به کجا خواهم رفت و آمدنم از بهر چه بود. و قياس به نفس است که آدمي، اين ذره ي کوچک جهان هستي، مي خواهد همه چيز را با خود مقايسه کند و همه ي جهان را توضيح دهد. اصولاً همه ديدگاه ما نسبت به هستي ناشي از همين (خود ساعت بودن) است. ساعتي که همه چيز را ساعت مي بيند. اين ديد از نظر سي. پي. اچ. درست است که همه چيز يک ساعت است، اما اجزاي همه اين ساعتها يکي است (سي. پي. اچ. ها) که خود ساعت نيستند و هيچ لحظه اي از عمر آنها نمي گذرد. و جهان هستي (نه جهان قابل مشاهده) نيز ساعت نيست و هيچ لحظه اي از عمر آن نمي گذرد. اما جهان قابل مشاهده نيز ساعتي است که خود روزي از تيک تاک باز خواهند ماند.

 

هاوکينگ – قواعدي پشت قواعد ديگر
ذرات مادي را كه همگي مي‌شناسيم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم را به‌نام كلي فرميون‌‌ها مي‌شناسيم. فرميون‌ها يك سيستم پيام‌رساني دارند كه بين آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌هاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتي در آن‌ها مي‌شوند. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميون‌ها در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزون ناميده مي‌شوند. پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون است يا بوزون.

سرويس‌هاي پيام‌رسان ۴ گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش است. حامل اين پيام نوعي بوزون است كه گراويتون ناميده مي‌شود. نيروي دوم يا نيروي الكترومغناطيس پيام‌هايي است كه به‌وسيله بوزون‌هايي به‌نام فوتون بين پروتون‌هاي درون هسته يك اتم و الكترون‌هاي نزديك به آن، يا بين الكترون‌ها رد و بدل مي‌شوند. اين پيام‌ها موجب مي‌شوند كه الكترون‌ها دور هسته گردش كنند. در مقياس‌هاي بزرگ‌تر از اتم، فوتونها خودشان را بصورت نور نشان مي‌دهند. سومين سرويس پيام‌رسان نيروي قوي است كه موجب مي‌شود هسته اتم يكپارچگي خود را حفظ كند و چهارمين سرويس نيروي ضعيف است كه موجب راديواكتيويته مي‌شود.

درك كامل اين چهار نيرو به ما امكان مي‌دهد تا اصولي را كه مبناي همه رويدادهاي جهان هست، درك كنيم. بسياري از كارهاي فيزيك‌دانان قرن بيستم براي آگاهي بيشتر از طرز عمل اين جهار نيروي طبيعي و ارتباط بين آنها انجام شد. فيزيك‌دان‌ها تا حدودي با موفقيت سعي كردند نوعي يگانگي بين نيروها را استنباط كنند. آنها اميدوار بودند نظريه‌اي بيابند كه در غايت امر هر چهار نيرو را بوسيله يك ابرنيرو توجيه كند. نيرويي كه خودش را به‌گونه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد. نيز موجب يگانگي فرميون‌ها و بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيك‌دان‌ها اين نظريه را نظريه يگانگي (اتحاد نيروها) نام دادند. اين نظريه بايد دنيا را توجيه كند. يعني نظريه همه چيز بايد يك قدم پيش‌تر برود و به اين سوال پاسخ دهد: دنيا در لحظه آغاز قبل از اين كه زماني بگذرد، چگونه بوده است؟

يا به عبارت ديگر: شرايط اوليه يا شرايط مرزي در آغاز جهان چه بوده است؟
درك كامل ابرنيرو ممكن هست كه درك شرايط مرزي را هم براي ما امكان‌پذير كند. از طرف ديگر ممكن 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 طرف مشغول كار هستند تا به «نظريه همه‌چيز» دست پيدا كنند.

ديدگاه سي. پي. اچ.
زمانيکه انيشتين تلاش کرد يک اتحاد بين نيروها بوجود آورد (دهه ي ۱۹۲۰) بحث نيروها از نظر کمي و کيفي به اين صورت نبود. در آنزمان تنها نيروهاي گرانش و الکترومغناطيس مطرح بودند و علاوه بر آن به نيرو به عنوان يک ذره تبادلي (پيام رسان) نگريسته نمي شد. اتحاد نيروها (هر چهار نيرو) يا يافتن يک ابر نيرو هرچند با موفقيت هايي همراه بوده، اما تا به حال به نتيجه ي رضايت بخشي نرسيده است. از ديدگاه سي. پي. اچ. اشکال در اين است که به اين مورد خاص توجه نمي شود که فرميونها، خود بوزونها را توليد مي کنند. همچنين بوزونها نيز به نوبه خود، فرميونها را بوجود مي آورند. توجه به اين نکته ي مهم، خود مي تواند توضيح دهد که جهان قابل مشاهده در آغاز چگونه بوده است. با اين ديدگاه مي توان دو مسئله ي جدا از هم، يعني ابر نيرو و اينکه شرايط مرزي چکونه بوده است را به يک مسئله تقليل داد و براي آن به پاسخ مناسب رسيد. مسئله اين است که چه عاملي شرايط مرزي را بوجود آورد؟ از ديدگاه سي. پي. اچ. شرايط مرزي ناشي از اسپين سي. پي. اچ. است که در سياه چاله ي مطلق اسپين سي. پي. اچ. به حداکثر خود مي رسد و عامل انفجار مي گردد و اين روند مکرر است و ادامه خواهد داشت.

هاوکينگ – نظريه‌ها
نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.
مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت(تندي و جهت حركت) ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده است. يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات (گراويتون) در نظر بگيريم، در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود، اما با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. چون همه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسيار بغرنج 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 را ريترماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين باره مي‌گويد: 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 اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.
استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش هاوكينز بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه درآن اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

 

ديدگاه سي. پي. اچ.
چرا بايد با همان ديد سنتي (اعم از کلاسيکي يا موانتومي) به مسئله نگاه کنيم؟ واقعيت اين است که شواهد نظري و تجربي زيادي وجود دارد که نشان مي دهد فرميونها و بوزون ها دو جلوه ي متفاوت از يکديگرند. بوزنها فرميونها را توليد مي کنند و فرميونها نيز توليد کننده ي بوزونها هستند. در مکانيک کوانتومي (ديدگاه سنتي) بوزون فوتون که حامل نيروي الکترومغناطيسي است، بين ذرات باردار رد و بدل مي شود. در حاليکه از ديدگاه سي. پي. اچ. بارهاي الکتريکي دائماً فوتون مجازي (بوزوني که نيروي الکتريکي را حمل مي کند) را توليد و در فضا منتشر مي کنند. مواد اوليه اين توليد، گراويتونها (بار-رنگها) هستند.

ذرات بار با توليد و انتشار فوتون (بوزون) يک ميدان الکتريکي در اطراف خود ايجاد مي کنند. اين ميدان از ذرات حامل نيروي الکتريکي پر شده که به دليل خواص الکتريکي که دارند بطرف بار مخالف خود حرکت مي کنند. بار الکتريکي مخالف آن را جذب مي کند، ولي بقاي آن تهديد مي شود. لذا فوتون دريافتي را به بار-رنگها تجزيه کرده و منتشر مي کند. خاصيت بار-رنگي موحب کشش بار الکتريکي مي شود. لذا در حد زير کوانتومي که نکاه جديدي است به مفاهيم بنيادي طبيعت، ذرات باردار توليد کننده و منهدم کننده ي فوتونهاي مجازي (حامل بار الکتريکي) هستند.
از اين نقطه نظر، گراويتون هم يک بار-رنگ است و در نتيجه همان خواص الکتريکي از خود بروز مي دهد. لذا نيازي به استفاده از بازبهنجارش ها نيست. تنها کافيست ديدگاه خود را نسبت به بارهاي الکتريکي و کنش بين آنها تغيي دهيم و در نهايت به اين نتيجه خواهيم رسيد که گرانش (گراويتون) همان فوتون (بوزون حامل نيروي الکتريکي) است در مقياس بسيار ضعيتر.

هاوکينگ- راه ديگر
از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكار گيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟
همانطور که گفتيم طبق اصل عدم قطعيت نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به نتايج شگرفي دست يافته است.

 

سياهچاله‌ها سياه نيستند: شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد.

حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم يكي ديگر هم اضافه كنيم:
فضاي خالي، خالي نيست

 

نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد که وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.
اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم:

 

۱ – فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آن‌ها مقداري عظيم يا مقداري بي‌نهايت از انرژي است.
۲ – وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا-زمان مي‌شود.

 

تركيب اين دو ايده ما را به اين نتيجه مي‌رساند که كل 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 استفاده مي‌شود، پيشگويي آن‌ها اشتباه محض است.

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

ديدگاه سي. پي. اچ.

باز اين نگرش سنتي به فيزيک است که مشکل ساز مي شود. ما به يک نظريه نياز داريم که دو مسئله را در اين زمينه توضيح دهد. يکي انحناي فضا و ديگري نگرش کوانتومي به فضا-زمان و انباشت انرژي در فضا. از ديدگاه کوانتومي و بهره گيري از اصل عدم قطعيت به اين نتيجه مي رسيم که فضا از ماده و پاد ماده انباشته است. چرا توضيح جديدي را براي انرژي در فضا جايگزين نگرش سنتي نکنيم؟

واقعيت اين است که فضا از بار-رنگها (گراويتون) انباشته است که نيروي گرانشي را حمل مي کنند. اين بار-رنگها به دليل خضيت بار-رنگي که دارند، با هم ترکيب مي شوند و کوانتومهاي انرژي را توليد مي کنند. همين خواص بار-رنگي آنها است که بر پرتو نوري اثر گذاشته و مسير آن را خميده مي کنند. اما ميزان تاثير آنها بر مسير پرتو نوري، تابع چگالي آنها در فضا است. در اطراف اجرام بزرگ، چگالي بيشتر و در فضاي بين ستارگان، چگالي کمتر است.
همچنين براي توضيح توليد ماده و پادماده در فضا از نيازي نيست که آن را در سايه اصل عدم قطعيت توجيه کنيم. بلکه مي توانيم مستقيما به خواص بار-رنگها مراجعه کرده، هم انحناي فضا را توضيح دهيم و هم اينکه توليد ماده و پاده را.

آيا پيش‌گويي ممكن است؟
نظريه همه‌چيز بايد بتواند اين امكان را به‌شخصي كه جهان ما را نديده است، بدهد كه همه چيز را پيش‌گويي كند. با چنين نظريه‌اي شايد بشود خورشيدها و سيارات و كهكشان‌ها و سياه‌چاله‌ها و كوزارها را پيشگويي كرد. اما آيا مي‌شود به‌وسيله آن برنده مسابقه اسب‌دواني سال أينده ايالت كنتاكي را پيشگويي كنيم؟ آيا اين پاسخ قابل اعتماد است؟ نه‌چندان.
محاسبات لازم براي بررسي همه داده‌هاي جهان بطور مضحكي بسيار فراتر از ظرفيت هر كامپيوتر قابل تصوري خواهد بود.

ديدگاه سي. پي. اچ.
از نظر سي. پي. اچ. تئوري ما تنها مي توانيم روايط بين پديده ها را توضح دهيم. بنابراين مي توانيم حدس بزنيک که وجود دنياهاي ديگر امکان پذير است. اما لزوماً اين معناي آن نيست که بتوانيم تمام ساعت هايي را که در آنجا بکار افتاده اند (توجه شود که از نظر سي. پي. اچ. تئوري هر چيزي در جهان يک ساعت است) را پيش بيني کنيم و آهنگ آنها را نيز بدانيم. از ديدگاه سي. پي. اچ. تئوري ما حتي نمي توانيم جهان خودمان را نيز به همان صورت که هست ببنيم. مي دانيم مشاهدات ما از جهان کذشته ي آنها را نشان مي دهد نه حال را. زيرا

نور مسيري را که طي مي کند تا به برسد، زمان مي برد، پس نور از گذشته جهان آمده و امروز به ما رسيده است. حال سئوال اين است که آيا نوري که از يک کهکشان ساطع شده و ميلياردها سال در حرکت بوده، در طول مسير دست خوش هيچگونه تغييري نشده است؟ زماني ما مي توانيم با صراحت و اطمينان به اين سئوال پاسخ دهيم که همه چيز را در مورد نور بدانيم و حتي ساختمان آنرا نيز توضيح داده باشيم. اينکه نور در ميدان گرانشي تغيير انرژي دارد، خود دليل بر آن است که نور يک پيام بسيط نيست که از کهکشان بما مي رسد، بلکه دست خوش تغيير قرار مي گيرد. سئوال اين است که اگر فوتون را يک ساعت در نظر بگيريم، آيا تمام تيک تاکهاي آن تنها تحت تاثير عوامل خارجي است، يا عوامل داخلي که ناشي از ساختمان فوتون است نيز بر آن اثر دارد ياخير؟

هرچند که از نظر مکانيک کوانتومي فوتون يک ذره فاقد ساختمان است، اما در مکانيک کوانتوم نيز پديده هايي توضيح داده مي شوند(از جمله اثر موسذوئر، اثر کامپتون…) که نشان مي دهد نمي توان از توجه به ساختمان فوتون غافل شد. لذا از ديدگاه سي. پي. اچ. ما تنها نمي توانيم همه ي شرايط جهاني را که نديده ايم پيش گويي کنيم، بلکه حتي قادر نيستيم جهان خودمان را نيز بهمان گونه که هست ببينيم. اما مي توانيم بگوييم که چه نوع ساحت هايي در جهاني ديگر امان وجود دارند. و اين ساعت ها چه تاثيري روي هم مي گذارند. پيش گويي ما در همين حد است.

 

بازنگري در هدف علم فيزيك
با در نظر گرفتن محدوديت‌هايي كه از آن‌ها ياد شد، فيزيك‌دانان تعريف جديدي را از علم ارائه كرده‌اند. نظريه همه چيز مجموعه‌اي از قوانيني 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 به احتمالات راضي شويم و از گرفتن نتايج مشخص و دقيق صرف‌نظر كنيم.
اگر منصف باشيم، بايد بگوييم كه همه فيزيك‌دانان گمان نمي‌كنند كه «نظريه همه چيز» وجود دارد يا اگر هست، دستيابي به آن براي ما ميسر است. بعضي از آن‌ها بر اين باورند كه علم با باريك‌بيني و اكتشافات پي‌ در پي به باز كردن اطاق‌هاي تو در توي اسرار ادامه خواهد داد ولي هيچ‌گاه به آخرين اطاق نمي‌رسد.

ديدگاه سي. پي. اچ.
بجاي حدس و گمان که آيا رسيدن به نظريه همه چيز به معني کامل آن که همه چيز را توضيح دهد و همه ي رويدادها را پيش گويي کند، امکان پذير است يا نه، بهتر است نگاهي به نظريه هايي که تا بحال مطرح شده بياندازيم و ببينيم که مي توانيم از آنها کمک بگيريم يا نه؟
تجربه نشان مي دهد که هر نظريه اي در بدو مطرح شدن، ابهاماتي را با خود همراه دارد که قادر به توضيح همه ي آنها نيست. مکانيک کلاسيک و نسبيت و مکانيک کوانتوم که بزرگترين نظريه ها هستند نيز بهمين گونه بوده اند. اين ابهامات زمينه ي تلاش و تحقيق آتي را فراهم مي سازند تا براي يک نظريه ي کاملتر کوشش کنيم. سئوال اصلي اين است که آيا مي توان نظريه اي داد که با ابهام و نارسايي همراه نباشد؟

اگر چنين نظريه اي وجود داشته باشد و ما بتوانيم آنرا ارائه دهيم، ديگر ابهامي وجود نخواهد داشت که زمينه ي تلاش براي ارائه ي يک نظريه ي کاملتر را فراهم کند. تنها مي ماند اينکه چگونه مي توانيم کاربردهاي نظريه را کشف و مورد استفاده قرار دهيم. و اين يعني نقطه ي پايان براي ارائه ي نظريه هايي کاملتر. آيا بشر چنين تواني دارد؟
اين سئوال را نمي توان در چارچوب يک بحث علمي پاسخ داد، بلکه در محدوده ي بحث هاي فلسفي و باورهاي فلسفي است که بيشتر جنبه اعتقادي دارد تا علمي و تحقيقاتي.

هاوکينگ – از گرانش و نور چه مي‌دانيم؟
سر ايزاك نيوتن، در سالهاي ۱۶۰۰ پروفسور كرسي لوكاشين 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، توضيح مي‌دهند. نخست اين كه اجسام درجهان درحال سكون نيستند. بهترين ديدگاه آن است كه فكر كنيم، در جهان، همه چيز در حال حركت است. ما مي‌توانيم 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 يا پايين 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 ادامه مي‌داد. نيرويي موسوم به گرانش، ماه را وادار مي‌كند كه تندي حركت و جهت حركت خود را تغيير دهد. اين نيرو از كجا مي‌آيد؟ اين نيرو از مجموعه آراء ذرات نزديك به‌هم (جسمي با جرم زياد) مي‌آيد كه همان زمين باشد. در همين حال، گرانش ماه نيز روي زمين تأثير مي‌گذارد. مي‌دانيم كه نمونه بارزش جذر و مد اقيانوس‌هاست.

نظريه گرانش نيوتن به ما مي‌گويد كه مقدار جرم يك جسم، چگونه بر شدت گرانش بين آن جسم و جسم ديگر، تأثير مي‌گذارد. هر قدر جرم زيادتر باشد، جاذبه شديدتر خواهد بود.
نظريه گرانش نيوتن، نظريه بسيار موفقي بود و تا ۲۰۰ سال بعد، مورد تجديد نظر واقع نشد. هنوز هم ما از آن استفاده مي‌كنيم در حالي كه مي‌دانيم، بعضي شرايط، مثلاْ اگر نيروهاي گرانشي فوق‌العاده شديد باشند(به عنوان مثال در نزديكي يك سياهچاله) يا زماني كه اجسام با سرعتي معادل نور حركت كنند، اين نظريه ديگر صادق نيست.

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. در صورتي كه اين فرضيه درست باشد، اگر خورشيد در يك لحظه به هر دليلي به فاصله خيلي دورتر 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 ثابت است. در هر مكان از جهان و با هر سرعتي كه اجسام حركت كنند، سرعت نور تغيير ناپذير است و هيچ سرعتي، بالاتر از سرعت نور نيست. نور خورشيد در زماني معادل ۸ دقيقه به ما مي‌رسد. بنابراين، ما هميشه خورشيد را آن طور مي‌بينيم كه هشت دقيقه پيش بوده است. اگر خورشيد از زمين دور شود، ۸ دقيقه بعد، ما به هر اثري كه اين تغيير فاصله داشته باشد، پي خواهيم برد. براي ۸

دقيقه،‌ما خورشيد را در همان مدار مي‌بينيم كه قبلاً ديده‌ايم. مثل اينكه خورشيد حركتي نكرده است. به عبارت ديگر، اثر گراني يك جسم بر جسم ديگر، نمي‌تواند فوراْ تغيير كند. زيرا سرعت انتقال گرانش كه زيادتر از سرعت نور نيست. اطلاع از اينكه خورشيد چه اندازه دور شده است، نمي‌تواند فوراْ از طريق فضا به ما برسد. اين اطلاع‌رساني، به هر وسيله‌اي كه باشد، سريعتر از سرعت نور نخواهد بود.

بنابراين روشن است كه اگر بخواهيم در باره حركت اجسام در جهان گفتگو كنيم، واقع بينانه نخواهد بود كه تنها سه بعد فضا را در نظر بگيريم. اگر هيچ چيز نمي‌تواند سريعتر از نور منتقل شود، چيزهايي در فاصله‌هاي نجومي، صرفاْ بدون يك عامل زمان نه براي ما وجود دارند و نه براي خود خود آن چيزها بين يكديگر. توصيف جهان در سه بعد همان قدر ناكافي است كه بخواهيم يك مكعب را در دو بعد توصيف کنيم. بسيار پرمعني‌تر خواهد بود كه بعدي به‌نام زمان را به ابعاد ديگر اضافه كنيم. يعني بپذيريم كه در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضا ـ زمان بپردازيم.

ديدگاه سي. پي. اچ.
در اينجا دو نکته قابل توجه وجود دارد، اول آيا در توجيه و توضيح گرانش ما داراي يک نظريه رضايت بخش هستيم يا نه؟ توضيحات بالا در مورد گرانش از ديد مکانيک کوانتوم و نسبيت نشان داد که هنوز از چنين پايگاه معتبر نظري برخوردار نيستيم. اما مي دانيم که گرانش بر نور تاثير دارد. اين تاثير که در نسبيت پيش گويي شد، در مکانيک کوانتوم هم پذيرفته شده است و با تجربه نيز سازگار است. حرکت نور از خورشيد تا زمين در فضايي آکنده از گرانش انجام مي شود.

دوم اينکه در نسبيت خاص هيچ پيزي نمي تواند با سرعتي بالاتر از سرعت نور حرکت کند، آيا شامل گرانش (يا از ديدگاه کوانتومي شامل گراويتون) هم مي شود يا خير؟ زماني مي توانيم به اين سئوال جواب قطعي بدهيم که سرعت گرانش را اندازه گرفته باشيم که آن هم هنوز انجام نشده است.

اما ديدگاه نظري و شواهد تجربي قوي وجود دارد که نور و گرانش نه تنها بر يکديگر تاثير مي گذارند، بلکه هر دو به يکديگر قابل تبديل هستند. جابجايي بسمت سرخ گرانش نشان مي دهد که فرکانس فوتون هنگام ترک کردن يک سياه چاله بسمت صفر ميل مي کند، يعني همه ي انرژي خود را از دست مي دهد. اين بحثي است که نظريه سي. پي. اچ. بطور مفصل آن را مورد بررسي قرار داده و نشان داده که فوتون خود از ذرات زير فوتوني بار-رنگها (گراويتونها) تشکيل مي شود. سرعت اين بار-رنگها (مسير طي شده در واحد زمان نسبت به دستگاه لخت) بيشتر از سرعت خطي فوتون است. بنابراين به اين نتيجه مي رسيم که وقتي نسبيت مي گويد هيچ چيز نمي تواند سريعتر از نور حرکت کند، الزاماً شامل گراويتون (آثار گرانشي) نمي شود.

لازم به تکرار است تا زمانيکه ما ساختمان فوتون را نشناخته ايم، با معماهاي بسياري روبرو هستيم که نمي توانيم به آنها پاسخ مناسب بدهيم. اما در مورد سه بعد فضا و يک بعد زمان، بايد در نظر داشت که خود فضا از گرانش (گراويتونها) انباشته شده است. تا زمانيکه مسئله ي گرانش حل نشده، نمي توان فقط به چهار بعد فضا-زمان اکتفا کرد. خود نسبيت بر تاثير گرانش بر روي رفتار ساعت ها تاکيد دارد، چگ.نه مي توانيم زمان را مستقل از گرانش فرض کرده و تنها به چهار بعد فضا-زمان محدود شويم. واقعيت اين است که تا جاييکه که فضاي متاثر از گرانش را در نظر داريم، بايستي در ابعاد مورد نياز با احتياط برخورد کنيم. چون نمي توانيم ساعت را مستقل از گرانش در نظر بگيريم. بنابراين واقعيت فضاي بين ستارگان داراي پنج بعد مي باشد، سه بعد براي فضا، يک بعد براي گرانش و يک بعد براي زمان.

 

هاوکينگ – نسبيت عام و فضا-زمان
اينشتين چندين سال بي‌وقفه در تلاش بود تا نظريه‌اي در باره گرانش بيابد كه با آن‌چه خود او در باره نور و حركت نزديك به سرعت نور يافته بود، هم‌خوان باشد. او در سال ۱۹۱۵، نظريه نسبيت عام را اعلان كرد. بنابراين نظريه گرانش نه به عنوان نيرويي بين اجسام، بلكه بر حسب شكل و خميدگي فضا ـ زمان چهار بعدي، در نظر گرفته مي‌شود. در نسبيت عام، گرانش، هندسه جهان است.

بر اساس نظريه اينشتين، خميدگي، به علت وجود جرم و انرژي ايجاد مي‌شود. هر جسم پرجرم بسيار بزرگ، در خميدگي فضا ـ زمان، نقش دارد. اجسامي كه در «امتداد خطي مستقيم در جهان حركت مي‌كنند”، مجبور به دنبال كردن مسيرهاي خميده‌اي هستند. زماني كه كره ماه روي مسير مستقيمي در نزديكي زمين قرار دارد، روي مي‌دهد. زمين، فضا ـ زمان را انحنا مي دهد و مدار ماه، نزديكترين چيز به خط مستقيم، در فضا ـ زمان منحرف شده است. از نظر اينشتين، يك جسم با جرم زياد، موجب انحراف فضا ـ زمان مي‌شود. طبق نظريه نسبيت عمومي، ميدان جاذبه، و خميدگي دو مفهوم يكسان‌اند.

اگر مدارهاي سيارات منظومه شمسي 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 به خورشيد است و بيشتر تحت تأثير جاذبه خورشيد، قرار مي‌گيرد. پيش‌بيني نتيجه اين نزديكي طبق نظريه اينشتين، اندكي با آنچه طبق نظريه نيوتن به دست مي‌آيد، متفاوت است. مشاهدات نشان مي‌دهد كه مدار عطارد، با پيش‌بيني اينشتين، هم‌خواني بهتري دارد، تا نظريه نيوتن.

نظريه اينشتين، پيش‌گويي مي‌كند كه چيزهاي ديگري بجز ماه و سيارات نيز، تحت تأثير خميدگي فضا ـ زمان قرار مي‌گيرند. مثلاً فوتونها (ذرات نور)، بايد در فضاي خميده حركت كنند. اگر باريكه نوري كه از ستاره‌اي دور سير مي‌كند، مسير آن از نزديكي خورشيد بگذرد، خميدگي فضا ـ زمان در نزديكي خورشيد موجب مي‌شود كه اين مسير اندكي به طرف خوردشيد خميده شود.

ستاره‌شناسان، با استفاده از اين پديده، جرم اجسام آسماني را با اندازه‌گيري مقدار انحراف مسير نور ستارگان دور، حساب مي‌كنند. هر چه جرم اين «خم‌كننده» زيادتر باشد، خميدگي مسير نور بيشتر خواهد بود. البته اين مقياسي است كه در آن گرانش در ستارگان، كهكشانها و حتي تمام جهان آشكار مي‌شود. اما، گرانش را مي‌توان در مقياسهاي بسيار كوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش در اين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروي ديگر كه دوتاي آنها تنها دراين سطح عمل مي‌كنند، دست يابيم. روش مكانيك كوانتومي براي در نظر گرفتن نيروي گرانش بين ماه و زمين آن است كه اين نيرو را با تبادل گراويتونها (بوزونها يا ذرات پيام‌رسان نيروي گرانش)، بين ذرات تشكيل دهنده اين دو كره در نظر بگيريم.