میراث علمی استیون هاوکینگ

بیگ بنگ: استیون هاوکینگ، به عنوان معروف‌ترین دانشمند عصر ما از جایگاه رفیعی برخوردار بود. کتاب فوق‌العاده او، تاریخچه کوتاهی از زمان بیش از ۱۰ میلیون نسخه فروخته و به بیش از ۳۵ زبان ترجمه شده است. او در سریال‌های تلویزیونی مشهوری نظیر پیشتازان فضا: نسل بعدی، نظریه بیگ بنگ و حتی در کارتون پرطرفدار خانواده سمیپسون حضور پیدا کرده است. زندگی او در قالب فیلمی به نام “نظریه همه‌چیز” در سال ۲۰۱۴ توانست اسکار بهترین بازیگر مرد را برای اِدی رِدمین به ارمغان بیاورد. از نقطه نظرات هاوکینگ در موارد زیادی از جمله سفر در زمان و موجودات فضایی گرفته تا خطرات هوش مصنوعی و خدمات بهداشتی و درمانی بریتانیا استفاده شده است. او شوخ طبعی و رفتار منحصر به فردی داشت که، در کنار ذهن فراانسانی‌اش، او را به چهره‌ای محبوب در بین عموم مردم تبدیل کرده بود.

به گزارش بیگ بنگ، اما وضعیت جسمانی و ناتوانی که هاوکینگ با آن دست و پنجه نرم می‌کرد اغلب باعث از یاد رفتن میراث بزرگ علمی‌اش شده است و این حقیقت نسبت به شخصی که در پیشبرد “نظریه همه‌چیز” نقش زیادی ایفا کرد و درک ما از فضا- زمان را بهبود بخشید و علم فیزیک را در دهه‌های اخیر دگرگون ساخت، جای تاسف دارد. تفکرات او امروز هم به پیشرفت فیزیک بنیادی کمک شایانی می‌نماید.

شروع کار پژوهش هاوکینگ چندان خوشایند نبود. او در سال ۱۹۶۲ برای تحصیل در دوره دکتری وارد دانشگاه کمبریج شد. هاوکینگ قصد داشت تا از فرِد هویل به عنوان استاد راهنمای خود بهره بگیرد که متوجه شد ظرفیت این استاد تکمیل شده است. هویل، که در آن زمان معروف‌ترین اخترفیزیک‌دان شناخته‌‌شده بریتانیا به حساب می‌آمد، دانشجویان علاقمند را مثل آهنربا به خود جذب می‌نمود. هاوکینگ در نهایت با دنیس سیاما، فیزیک‌دانی که هیچ شناختی از او نداشت، شروع به کار نمود. در همان سال بود که بیماری اسکلروز جانبی آمیوتروفیک به سراغش آمد. این بیماری به گونه‌ای است که عصب‌های حرکتی بدن را از کار می‌اندازد و توانایی حرکت عضلات را از انسان می‌گیرد. به هاوکینگ گفته شد که دو سال بیشتر زنده نخواهد ماند.

گرچه شاید بدن هاوکینگ رو به ضعیف شدن می‌رفت، اما هوش او به خوبی قبل بود. دو سال بعد از شروع دوره دکتری، با اینکه در راه رفتن و صحبت کردن دچار مشکل شده بود اما مشخص بود که بیماری از آنچه دکتر‌ها می‌ترسیدند پیشروی کمتری داشته است. در همان حال، نامزدی او با جِین وایلد، که بعدا حاصل ازدواجشان سه کودک به نام های رابرت، لوسی و تیم بود، باعث شد تا انگیزه هاوکینگ برای پیشرفت در فیزیک بیشتر شود.

کار کردن با سیاما ویژگی‌های مثبتی نیز داشت. شهرت هویل باعث شده بود تا پیدا کردنش در دانشکده سخت باشد، درحالی که سیاما همیشه در دسترس بود و صحبت کردن با او راحت. مباحثات این دو هاوکینگ را مجاب ساخت تا دیدگاه علمی خود را در پیش بگیرد. هویل به شدت مخالف نظریه بیگ بنگ بود. سیاما، در طرف دیگر، از اینکه می‌دید هاوکینگ بر روی آغاز زمان کار می‌کند خوشحال بود.

هاوکینگ روی مطالعات راجر پنروز کار می‌‌کرد، دانشمندی که ثابت کرد در صورت درست بودن نسبیت عام اینشتین، باید نقطه‌ای در قلب هر سیاه‌چاله وجود داشته باشد که در آن فضا و زمان در هم می‌شکنند، نقطه‌ای که به آن تکینگی گفته می‌شود. هاوکینگ دریافت که اگر پیکان زمان را برعکس کنیم نیز چنین استدلالی برای کل جهان درست خواهد بود. او با تشویق هایی که از جانب ِ سایما می‌شد، بر روی ریاضیات این موضوع کار کرد و موفق شد تا آن را اثبات نماید: جهان، طبق نسبیت عام، با یک تکینگی آغاز شده است.

با این حال هاوکینگ به خوبی می‌دانست که اینشتین برندۀ مطلق نبوده است. نسبیت عام، که فضا و زمان را در مقیاس بزرگ توصیف می‌کند، مکانیک کوانتومی، که رفتار عجیب ماده در مقیاس های کوچکتر را بررسی می‌کند را در نظر نمی‌گیرد. یک نظریه ناشناخته برای ارتباط دادن این دو مورد لازم بود: نظریه همه‌چیز. تکینگی در مبدا جهان برای هاوکینگ به معنی از هم گسیختن فضا و زمان نبود، بلکه لزوم وجود یک نظریۀ گرانش کوانتومی را نشان می‌داد.

خوشبختانه ارتباطی که او بین تکینگی پنروز و تکینگی بیگ بنگ به دست آورد کلید یافتن چنین نظریه‌ای بود. اگر فیزیک‌دان‌ها می‌خواستند تا مبدا جهان را درک کنند، هاوکینگ دقیقا به آنها می‌گفت که کجا باید دنبالش بگردند: یک سیاه‌چاله. بررسی‌ها و تحقیقات فراوانی در اوایل دهۀ ۷۰ میلادی در مورد سیاه‌چاله‌ها انجام گرفت. اگرچه کارل شواترزشیلد در سال ۱۹۱۵ سیاه‌چاله‌ها را با استفاده از معادلات نسبیت عام پیدا کرده بود، در نظر فیزیک‌دانان امّا آنها چیزی بیش از ناهنجاری‌های ریاضیاتی نبودند و میل نداشتند باور کنند که آنها واقعا وجود دارند.

نحوه کار سیاه‌چاله‌ها ساده است: آنها چنان میدان گرانشی قوی دارند که هیچ چیز، حتی نور، هم نمیتواند از گرانش آنها فرار کند. هر ماده‌ای که به داخل یکی از آنها بیفتد برای همیشه از بین می‌رود. چنین کارکردی همچون خنجری است بر قلب قانون دوم ترمودینامیک که یکی از مهم‌ترین قوانین طبیعت به شمار می‌رود. طبق این قانون، آنتروپی یا همان میزان بی‌نظمی یک سیستم همیشه افزایش می‌یابد. با استفاده از قانون دوم می‌بینیم که یخ همیشه به آب تبدیل می‌شود اما یک کاسه آب هیچوقت خود به خود تبدیل به یخ نمی‌گردد. همه مواد دارای آنتروپی هستند. وقتی مواد به داخل یک سیاه‌چاله پرتاب می‌شوند چه اتفاقی می‌افتد؟ اگر آنتروپی هم با خود ماده از بین برود، یعنی آنتروپی کل جهان هم کاهش یافته و در نتیجه سیاه‌چاله‌ها قانون دوم را نقض خواهند نمود.

دیدگاه هاوکینگ این بود که هر مفهومی که باعث گنگ شدن حقیقت شود را باید نادیده انگاشت. اگر موارد گفته شده در مورد سیاه‌چاله‌ها به معنی نادیده گرفتن قانون دوم ترمودینامیک باشد، پس باید همین کار را انجام داد! هاوکینگ در یک مدرسه تابستانی فیزیک در سال ۱۹۷۲ و در پیست اسکی Les Houches فرانسه با جاکوب بکنشتاین، دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه پرینستون، آشنا شد. بکنشتاین عقیده داشت که قانون دوم ترمودینامیک باید در مورد سیاه‌چاله‌ها نیز قابل اعمال باشد. بکنشتاین مسئله آنتروپی را مورد مطالعه قرار داده و، به لطف کارهای اولیه هاوکینگ، به یک راه حل احتمالی نیز رسیده بود.

یک سیاه‌چاله، تکینگی خود را در مرزی به نام افق رویداد پنهان می‌کند. هر چیزی که از افق رویداد گذر کُند دیگر راه برگشتی نخواهد داشت. کار هاوکینگ نشان داده بود که مساحت افق رویداد یک سیاه‌چاله هیچگاه با گذشت زمان کاهش نمی‌یابد. به علاوه، وقتی ماده در داخل یک سیاه‌چاله می‌افتد، مساحت افق رویداد آن بزرگتر می‌شود. بکنشتاین دریافت که این طرز فکر کلید حل مسئله آنتروپی است. هر بار که یک سیاه‌چاله ماده‌ای را در خود می‌بلعد، اینطور به نظر می‌رسد که آنتروپی آن از بین می‌رود و، در همان زمان، اندازه افق رویداد آن افزایش می‌یابد. پس برای حفظ قانون دوم، طبق پیشنهاد بکنشتاین، می‌توان از مساحت خود افق رویداد به عنوان معیاری از آنتروپی بهره جست.

این ایده به مذاق هاوکینگ خوش نیامد و از اینکه می‌دید از کارهایش در توضیح مفهومی که در نظرش ناقص می‌نمود استفاده شده بود، برآشفت. آنتروپی با گرما همراه است، ولی سیاه‌چاله نمی‌تواند از خود گرما تشعشع کند: هیچ چیز نمی‌تواند از جاذبه آن بگریزد. هاوکینگ در زمانی که برای استراحت از تدریس فاصله گرفته بود، با براندون کارتر، که زیر نظر سایما مشغول تحقیق بود، و جیمز باردین از دانشگاه واشنگتن آشنا شد و سپس با بکنشتاین روبرو گشت. عدم توافق این دو بکنشتاین را آزرده‌خاطر ساخت. او به خاطر می‌آورد که:« این سه، افراد سرشناسی بودند. من به تازگی دکترای خود را گرفته بودم. در این زمان شما نگران می‌شوید که شما نادان هستید و اینها بیشتر می‌دانند.»

هاوکینگ به کمبریج بازگشت تا ثابت کند بکنشتاین اشتباه می‌کند. ولی او به فرم دقیق رابطه ریاضی بین آنتروپی و افق رویداد سیاه‌چاله رسید. او به جای تخریب ایده، آن را اثبات کرده بود. این بزرگترین موفقیت هاوکینگ بود. هاوکینگ حالا با آغوش باز پذیرفته بود که ترمودینامیک یکی از بازیگران اصلی در سیاه‌چاله‌هاست. او چنین استدلال کرد که هر چیزی که آنتروپی دارد، دارای دما نیز هست و هر چیزی که دما داشته باشد می‌تواند تشعشع و تابش داشته باشد.

وی دریافت که اشتباه اصلی‌اش این بوده که تنها نسبیت عام را در نظر می‌گرفته، قانونی که می‌گفت هیچ چیز، هیچ ذره یا گرمایی نمی‌تواند از سیاه‌چاله فرار کند. همه چیز با آمدن مکانیک کوانتومی تغییر می‌کند. طبق مکانیک کوانتومی، جفت ماده‌ها و پادماده‌ها دائما از فضای خالی به وجود آمده و در چشم بر هم زدنی یکدیگر را نابود کرده و ناپدید می‌شوند. وقتی چنین پدیده‌ای در مجاورت یک افق رویداد به وقوع می‌پیوندد، جفت ماده-پادماده می‌توانند از یکدیگر جدا شوند. یکی به داخل افق رویداد رفته و دیگری موفّق به فرار می‌شود و در نتیجه این دو هیچگاه نمی‌توانند یکدیگر را نابود کنند. این ذرات به صورت تشعشع از لبه سیاه‌چاله ساطع می شوند. تصادفی بودن آفرینش کوانتومی به تصادفی بودن گرما تبدیل می‌شود.

شان کارول، فیزیک‌دان نظری انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا می‌گوید:« فکر کنم بیشتر فیزیک‌دان‌ها با این حرف من موافقند که بزرگترین کار هاوکینگ پیش‌بینی این موضوع بوده که سیاه‌چاله‌ها دارای تابش هستند. در حالیکه ما هنوز داده‌های تجربی برای اثبات درستی این پیش‌بینی نداریم، ولی تقریبا همه متخصصین در این مورد اتفاق نظر دارند.»

به بوته آزمایش گذاشتن پیش‌بینی هاوکینگ بسیار دشوار است چرا که بزرگی سیاه‌چاله با دمای آن نسبت عکس دارد. برای یک سیاه‌چاله بزرگ، نوعی از سیاه‌چاله که اخترشناسان با تلسکوپ بتوانند به مطالعه آن بپردازند، دمای تشعشع بسیار ناچیز خواهد بود. همانطور که خود هاوکینگ هم اشاره کرده، غیرممکن بودن اثبات این مدعا دلیل این است که او تاکنون جایزه نوبلی دریافت نکرده است. ولی پیش‌بینی او جایگاهش را در تاریخچه علم مستحکم کرد و حالا ذرات کوانتومی که از لبه سیاه‌چاله ساطع می‌شوند را با نام تابش هاوکینگ می‌شناسیم. بنا به نظریه تابش هاوکینگ یک سیاهچاله می تواند به علت تبخیر کوانتومی کوچکتر و کوچکتر شده و در نهایت از بین برود، تابش هاوکینگ جزء معدود ایده‌های پیشنهاد شده دربارۀ مرگ سیاهچاله‌ها است.

به عقیده عده‌ای این تابش باید به نام هاوکینگ-بکنشتاین نامگذاری شود، ولی خود بکنشتاین این گفته را رد می‌کند:« آنتروپی سیاه‌چاله به نام آنتروپی هاوکینگ-بکنشتاین شناخته می‌شود که به نظر من کافی است. این من بودم که ابتدا آن را نوشتم، هاوکینگ مقدار عددی ثابت را کشف کرد. پس ما با هم آن را به شکل امروزی فرمول‌بندی کردیم. اما تابش در حقیقت کار خود هاوکینگ است. من هیچ ایده ای در مورد تابش یک سیاه‌چاله نداشتم. هاوکینگ به شکل شفافی آن را بیان نمود. پس آن را باید تابش هاوکینگ بخوانیم.»

دستاورد برجسته

هاوکینگ دوست داشت معادله آنتروپی بکنشتاین-هاوکینگ بر روی سنگ قبرش نقش ببندد. این معادله طیف وسیعی از اصول فیزیک را در بر می‌گیرد: ثابت نیوتن که مرتبط با گرانش است، ثابت پلانک که به نوعی خائنی است نسبت به مکانیک کوانتومی، سرعت نور که جادوی نسبیت اینشتین به حساب می‌آید و ثابت بولتسمان که سردمدار ترمودینامیک به شمار می‌رود. حضور این ثوابت متنوّع و مختلف شمّه‌هایی از نظریه همه‌چیز را در خود داشت و بعلاوه مهر تاییدی بر حدس اولیه هاوکینگ می‌زد مبنی بر اینکه درک سیاه چاله‌ها می‌تواند کلید درک نظریه‌ای عمیق‌تر باشد.

دستاورد هاوکینگ ممکن است مسئله آنتروپی را حل کرده باشد ولی با این حال مشکل جدید‌تر و به مراتب دشوارتری را پیش کشیده است. اگر سیاه‌چاله‌ها قابلیت تابش دارند، در نهایت باید تبخیر و ناپدید شوند. پس چه بر سر آن همه اطلاعاتی که وارد آن شده می‌آید؟ آیا آن هم از بین می‌رود؟ اگر چنین است، یکی از اصلی‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی می‌بایست نقض گردد. همچنین اگر اطلاعات از سیاه‌چاله‌ها بگریزند، نسبیت عام اینشتین به خطر خواهد افتاد. هاوکینگ با کشف تابش سیاه چاله قوانین فیزیک را به جنگ با یکدیگر فراخوانده بود. در اینجا بود که پارادوکس از دست رفتن اطلاعات متولد شد.

هاوکینگ با انتشار مقاله جسورانه دیگری تحت عنوان “از بین رفتن پیش‌‎بینی‌پذیری در رمبش گرانشی” در سال ۱۹۷۶ و در مجله Physical Review، موقعیت خود را بیش از پیش به خطر انداخت. او چنین استدلال نمود که وقتی یک سیاه‌چاله بخشی از جرم خود را می‌تاباند، تمام اطلاعات را، بر خلاف این حقیقت که مکانیک کوانتومی از بین رفتن اطلاعات را منع می‌کند، با خود حمل می‌نماید. فیزیک‌دان‌ها خیلی زود در سنگرهای مختلف موافق و مخالف این طرز فکر گرد هم آمدند و این مباحثه تاکنون نیز ادامه دارد. از بین رفتن اطلاعات بدون شک مانع بزرگی بر سر راه درک گرانش کوانتومی است.

رافائل بوسو از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی می‌گوید:« استدلال هاوکینگ در سال ۱۹۷۶ مبنی بر از بین رفتن اطلاعات یک دستاورد برجسته و شاید یکی از اصلی ترین اکتشافات بخش نظری فیزیک از زمان به وجود آمدن آن است.» در اواخر دهه ۹۰ میلادی، نتایج بدست آمده از نظریه ریسمان بسیاری از فیزیک‌دان‌ها را قانع کرد که هاوکینگ در مورد از دست رفتن اطلاعات اشتباه می‌کرده است، اما مرغ این دانشمند که به سماجت و یک‌دندگی شهره بود یک پا داشت. وی در نهایت و در سال ۲۰۰۴ نظر خود را تغییر داد و آن را در کنفرانسی در دوبلین اعلام نمود: سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند اطلاعات خود را از دست بدهند. در سالهای اخیر، پارادوکس جدیدی به نام دیواره آتش همه چیز را در هاله‌ای از ابهام قرار داده است. واضحاً پرسشی که هاوکینگ مطرح نموده در قلب جستجو برای گرانش کوانتومی قرار دارد.

شان کارول می‌گوید:« تابش سیاه‌چاله ابهامات زیادی را به وجود می‌آورد و ما هنوز راه زیادی تا درک آن در پیش داریم. می‌توان گفت که تابش هاوکینگ تنها سرنخ موجود ما برای اتحاد مکانیک و گرانش کوانتومی است، چالشی بزرگ که اکنون بر سر راه فیزیک قرار دارد.» به گفته بوسو، میراث هاوکینگ کشف مشکل اساسی در جستجوی نظریه همه‌چیز می‌باشد.

هاوکینگ بقیه عمر خود را نیز صرف جابجا کردن مرزهای فیزیک نظری با سرعتی به ظاهر غیرممکن نمود. او تلاش زیادی کرد تا درک کند که مکانیک کوانتومی چگونه به درک کلی جهان کمک می‌نماید و تلاش او باعث شد تا گرایشی به عنوان کیهان‌شناسی کوانتومی به وجود بیاید. شرایط جسمی هاوکینگ باعث شد تا او سعی کند مسائل را به شکل نوینی حل نماید و شهود خوبی از موضوعات به دست آورد. همچنان که توانایی نوشتن معادلات پیچیده و طولانی را از دست داد، راه های خلاقانه ای برای حل مسائل در ذهن خود یافت و این کار را اغلب با تصور کردن شکل های هندسی انجام می‌داد. ولی، درست مثل اینشتین قبل از او، هاوکینگ هیچگاه به دستاوردی مهمتر از آنچه در اوایل کار خود به دست آورد، نرسید.

کارول می‌گوید:« تاثیرگذارترین کار هاوکینگ در دهه ۷۰ و وقتی جوان‌تر بود صورت گرفت. ولی چنین امری، حتی برای فیزیک‌دان‌هایی که از مشکلات حرکتی رنج نمی‌برند هم امری طبیعی است.» در همان زمان، انتشار کتاب تاریخچه زمان در سال ۱۹۸۸ جایگاه فرهنگی هاوکینگ را ارتقا بخشید و جان تازه ای به فیزیک نظری داد. به نظر هیچ چیز برایش مهم نبود. به گفته هلن میاله، انسان شناس دانشگاه یورک در تورنتو، کانادا که با کتاب هاوکینگ ادغام شده در سال ۲۰۱۲ جنجال زیادی به پا کرد:« در مقابل دوربین، هاوکینگ کاراکتر هاوکینگ را بازی می‌کرد. گویی که در حال بازی با جایگاه فرهنگی خودش بود.» در این کتاب، او بررسی می‌کند که افرادی که در اطراف هاوکینگ حضور داشتند چگونه به او کمک کردند تا تصویر خوبی در بین عموم به وجود بیاورد.

این تصویر بدون شک باعث شد تا زندگی برای او آسان‌تر گردد. با پیشرفت وضعیت هاوکینگ، شرکت‌های فناوری با کمال میل دست به کار شده و دستگاه‌های پیشرفته‌ای ساختند تا وی به وسیله آنها بتواند با سایرین ارتباط برقرار کند. با استفاده از این فناوری‌ها او می‌توانست با خیال راحت بر روی هدف غایی خود متمرکز شود: علم او. کارول می‌گوید:« استیون هاوکینگ بعد از اینشتین بیشترین نقش را در پیشرفت درک ما از گرانش داشته است. او یک فیزیک‌دان نظری پیشرو و مشخصا یکی از بهترین‌های جهان در زمینه پیوند گرانش و مکانیک کوانتومی بوده است و وی همه اینها را علیرغم شرایط نامناسب و مریضی جسمی‌اش به انجام رساند. او یک شخصیت الهام بخش است و تاریخ بدون شک او را به همین شکل به خاطر خواهد سپرد.» یادش گرامی

ترجمه: سینا احمدی، دانشجوی سال آخر کارشناسی مهندسی کامپیوتر و علاقمند به علم.

سایت علمی بیگ بنگ / منبع: NewScientist-March24

(17 نفر , میانگین : 4٫29 از 5)
لینک کوتاه مقاله : https://bigbangpage.com/?p=74920
تحریریه‌ی بیگ بنگ

تحریریه‌ی بیگ بنگ

وب سایت بیگ بنگ یک سایت علمی، تحقیقاتی میباشد که توسط تعدادی از علاقمندان به علم و دانش اداره می شود. این سایت از اواخر سال 1391 تاکنون به فعالیت خود در این حوزه ادامه داده است.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۲ پاسخ‌ها

  1. M hk گفت:

    بسیار ممنون از مطلب جامعی که ارایه نمودید.

  2. بهنام طیبی گفت:

    فقط تابش هاوکینگ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.