جایگاه استفان هاوکینگ در جهان علم
پیش از استفان هاوکینگ نگاهی کلاسیک به سیاهچاله ها وجود داشت؛ نگاهی مبتنی بر نظریه نسبیت عام اینشتین. در این شکل مواجهه با موضوع، سیاهچاله نقطه ای در فضا – زمان با انحنای بسیار زیاد است. چنین محدوده ای می تواند حول ستاره ای بسیار عظیم که روی خود فرو ریخته و منقبض شده، شکل گیرد. این خمش به سمت بی نهایت میل می کند و سیاهچاله (این تکینگی گرانشی) پشت مرزی به نام افق رویداد از سایر بخش های فضا – زمان جدا می شود؛ مرز امکان تحلیل فیزیک بر اساس نسبیت.
نام سیاهچاله ها درست یا اشتباه با هاوکینگ گره خورده است. البته این موضوع تا حدی تحت تاثیر حضور قدرتمند او در رسانه ها است و البته کارهای علمی موفق اش. هرچه باشد او نگاه به سیاهچاله ها را فراتر از نسبیت برد. در این مقاله شما می توانید با دیدگاه های استفان هاوکینگ آشنا شوید.
ماجرا را مردی شروع کرد که بسیاری نامش را در کنار هاوکینگ شنیده اند؛ «راجر پنروز». او دستگاهی ریاضی برای توصیف این وضعیت ارائه داد و هاوکینگ در اقدامی غیر منتظره از این ابزار در سویه منفی ای از گذر زمان استفاده کرد تا به بحث پیرامون چیستی «انفجار بزرگ» بپردازد. او نشان داد که تکینگی فضا – زمانی که به نام انفجار بزرگ می شناسیم، حاصل مدل های متقارنی که سعی در توصیف کیهان دارند، نیست و حتی اگر از مدل های کیهان شناختی غیر متقارن هم استفاده کنیم، باز به این تکینگی برخواهیم خورد.
هاوکینگ برای مواجهه با چالش های چنین کاری دست به ابداع قضایای ریاضی جدیدی زد. یکی از ابزارهای متداول ریاضی در فیزیک نسبیتی به نام نظریه مورس شناخته می شود. این ابزار برای تحلیل انحنای ریمانی است، اما فضا – زمان نسبیت عام نه ریمانی که تنها شبه ریمانی است. می توان گفت این ابزاری است مفید برای تحلیل جهان نسبیتی، اما ابزاری با اشکالات مخصوص به خود است.
هاوکینگ در همراهی با دانشمندانی دیگر، قضایای ریاضی جدیدی برای مواجهه با جهان نسبیتی خلق کرد که نشان داد تکینگی ای از نوع انفجار بزرگ، جزئی غیر قابل اجتناب از نظریه نسبیت عام خواهد بود.
تصور می شد سیاهچاله های دوار پس از مدتی انرژی چرخشی خود را از دست می دهند و پس از آن باید شکل یک کره بی نقص داشته باشند، اما بر اساس کارهای کراتر و رابینسون روی سیاهچاله های دوار، ایده ساختار کروی برای سیاهچاله ها کمرنگ تر شد. هاوکینگ حامی این نوع نگاه بود.
جهان باز یا بسته
هاوکینگ در سال 1970 بخشی از برنامه دیدار با اساتید دانشجویان برجسته شرمن فیرچایلد شد. این امکان جدید به او اجازه داد تا در موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) سخنرانی کند. این سخنرانی در زمانی رخ داد که او و پنروز موفق به اثبات نظریه های نسبیت عام اینشتین و کیهان شناسی فیزیکی الکساندر فریدمن طراحی شده و مقاله آن را منتشر کرده بودند.
بر اساس معادلات اینشتین، فریدمن ادعا کرد که جهان پویا و در طول زمان تغییر یافته است. او همچنین ادعا کرد که فضا – زمان، زمان هندسه ای دارد که با تراکم کل انرژی آن تعیین می شود. اگر برابر با تراکم بحرانی باشد، جهان دارای انحنای صفر (پیکربندی صاف)؛ اگر آن کمتر از بحرانی است، جهان دارای انحنای منفی (پیکربندی باز است)؛ و اگر بزرگتر از بحرانی باشد، جهان دارای انحنای مثبت (پیکربندی بسته) است.
با توجه به قضیه هاوکینگ – پنروز، اگر جهان مستقیماً از مدل های نسبیت عام تبعیت کند، باید آن را از یک تکینگی آغاز کرده باشد. این اساساً به این معنی بود که قبل از انفجار بزرگ کل جهان به عنوان نقطه ای از تراکم بی نهایت حاوی تمام جرم و فضا – زمان جهان بوده است، پیش از آنکه نوسانات کوانتومی آن را به سرعت گسترش دهند.
مخالفت با آنتروپی
وقتی بِکِن اشتاین برای نخستین بار از لزوم (وجود) مفهوم آنتروپی برای سیاهچاله ها صحبت کرد، استفان هاوکینگ چندان موافق او نبود. اما بعدتر خود هاوکینگ مفهوم آنتروپی را برای سیاهچاله ها مورد بررسی قرار داد؛ اتفاقی که چندان در مورد هاوکینگ عجیب نبود. در سال 1973، هاوکینگ ارتباط بین مساحت سطح افق رویداد و گرانش سطحی سیاهچاله را چیزی شبیه به ارتباط آنتروپی و دما در ترمودینامیک دانست. احتمالاً بتوان او را در این دوره برجسته ترین محقق پیرامون مفاهیم نسبیت عام دانست.
بر اساس نظر بِکِن اشتاین، سیاهچاله ها باید دارای آنتروپی می بودند تا قوانین پایه ای فیزیک نقض نشود، اما بر اساس نسبیت عام، با توجه به اینکه هیچ چیز نمی تواند از سیاهچاله خارج شود، نتیجه گیری منطقی آن بود که دمای سیاهچاله صفر است. تنها می بلعد و چیزی تابش نمی کند. این یعنی آنتروپی ندارد؛ تکه ای جدا شده از جهان که ارتباطش با بیرون یک سویه است.
سیاهچاله های تابان
هاوکینگ نگاهش را به سمت اثرات کوانتومی معطوف کرد. او با محاسباتش نشان داد که سیاهچاله های فرضی بسیار کوچک گردان که در ابتدای زمان شکل گرفته باشند، می توانند تمام انرژی چرخش خود را تابش کنند. او این انرژی تابش شده را به دنیای اینشتین برد و بر اساس فرمول معروف E=MC2 آن را به از دست دادن جرم سیاهچاله تعبیر کرد. این تغییر نگاهی بسیار اساسی بود؛ استفاده از دو دستگاه نظری مختلف به صورت توامان برای توصیف سیاهچاله ها. آنچه امروز به درستی «تابش هاوکینگ» می نامیم، حاصل این کنکاش ذهنی بود. اکنون روشی برای ثبت چنین تابشی وجود ندارد. این تابش بسیار بسیار کم فروغ است، اما هاوکینگ گمانه زنی کرد که شاید بتوان اثر تابشی سیاهچاله های بسیار کوچکی که هنگام انفجار بزرگ شکل گرفته باشند را در تصویر انفجار اولیه پیدا کرد، اما به نظر بسیاری انفجار بزرگ، آنچنان که او توقع داشت، قابلیت انطباق با این نگاه را نداشت.
مرگ پروتون ها
احتمالاً بسیاری موافق باشند که مهم ترین دستاوردهای هاوکینگ برای دانش بشر، همین بسط و تعمیق نگاه به سیاهچاله ها باشد. او با استفاده همزمان از نظریه میدان های کوانتومی و نسبیت عام، نوعی نگاه جدید خلق کرد و مفهوم آنتروپی را وارد مباحث مربوط به سیاهچاله ها کرد. این شیوه نگاه به جهان تاثیرات عمیقی بر کارها و پژوهش های بعدی داشته و خواهد داشت. اگرچه این جزئیات شکل مواجهه و توصیفات برای درک کیهان بر اساس این ترکیب هنوز محل بحث بسیار است، اما همه در تاثیرگذاری عمیق آن بر نگاه ما به کیهان توافق نظر دارند.
او بعدتر نتیجه گیری کرد که حتی پروتون ها هم باید به آرامی از میان بروند. در واقع این پدیده را مشخصه ای ذاتی از ماده دانست. حتی اگر بسیار بسیار کُند باشد و بیش از عمر جهان – اگر محدود باشد – طول بکشد. بعدتر حتی اعلام کرد، ممکن است نیاز به تصحیح قوانین مکانیک کوانتومی هم داشته باشیم، گرچه بعدتر در سال 2004 وقتی درباره «از دست رفتن اطلاعات» درون سیاهچاله ها حرف می زد، از تغییر ذهنیتش در این باره سخن گفت؛ این بار هم این تغییر رویکرد درباره او عجیب نبود.
کنکاش با تکینگی
در ادامه کارهایش روی سیاهچاله ها، هاوکینگ توجهش را به سمت گرانش کوانتومی برد. گرانش کوانتومی، تلاشی است برای نظامی که بتواند توامان هم توصیف گر جهان نسبیتی باشد و هم کوانتومی. یکی از اهداف مهم آن توصیف چگونگی و چیستی تکینگی گرانشی است؛ چیزی که هم در سیاهچاله ها و هم در ابتدا و آغاز جهان انتظار وجودش می رود. گرچه هنوز تلاش های هاوکینگ به خلق نگاهی کوانتومی از نسبیت عام منجر نشده، اما او مبتکر روش های نبوغ آمیزی برای حل بعضی مشکلات پایه ای این نوع نگاه بوده است.
او در همکاری با «هارتل»، رویه ای برای مواجهه با تکینگی انفجار بزرگ ابداع کرد؛ ایده ای که به عنوان بی مرزی (No boundary idea) می شناسند. فرض کنید بخواهیم طول جغرافیای جایی را روی زمین بیان کنیم. هرچه به سمت قطب حرکت کنیم، محیط کمتری خواهیم داشت؛ تا جایی که به فاصله بسیار اندکی از قطب برسیم. عملاً مفهوم طول جغرافیایی دچار اخلال می شود و نمی تواند، توصیفی دقیق باشد. طول جغرافیایی از معنا تهی و تکینه (singular) می شود. اما خود قطب مختصات کاملاً مشخصی دارد. بطور خلاصه می توان پرسید، طول جغرافیایی مثلاً قطب شمال چیست!؟ مرزی برای رخداد این تکینگی وجود ندارد، اما جایی هست که تکینگی رخ داده است. برای این منظور هاوکینگ دست به بحث روی مفهوم «زمان موهومی» زد که جغرافیای فضا – زمان نسبیتی را از شبه ریمانی به ریمانی بودن شبیه می کند. البته تلاش های بسیار دیگری هم درباره چگونگی مواجهه با گرانش کوانتومی صورت گرفته و این ایده هاوکینگ الزاماً مورد توجه ترین ایده امروزه نیست، اما شباهت هایی در اساس بین این تلاش ها وجود دارد.
آخرین مقاله
آخرین مقاله علمی استفان هاوکینگ محتوی ریاضیات لازم برای جستجوی اعماق فضا را دارد؛ تا شواهدی برای اثبات نظریه چند جهانی بدست آورد. ایده آخرین مقاله هاوکینگ از وجود جهان هایی به جز جهان ما صحبت می کند. مقاله آخر آقای فیزیکدان با نام «یک خروج یکنواخت از تورم ابدی» دارای ریاضیات نوآورانه ای است، که می توان به کمک آن اثراتی از چند انفجار بزرگ همزمان را مشاهده کرد.
در این مقاله هاوکینگ تلاش می کند، مسئله ای را که در سال 1983 در نظریه بدون مرز مطرح کرد، حل کند. این نظریه حتی تعداد نامحدودی بیگ بنگ را پیش بینی می کند که هر کدام جهان خود را با قوانین فیزیکی خاص مخصوص به خود ساخته اند.
توماس هرتوگ که در نگارش این مقاله آخر همکار هاوکینگ بوده، هدف از نگارش این مقاله را ارائه یک شیوه آزمایشی برای ساختار چند جهانی اعلام کرده است.
شهرت و بیماری
او به وضوح از شهرتش لذت می برد. به جاهای مختلف سفر می کرد، با آدم های گوناگون دیدار داشت و حتی فرصت تجربه جاذبه سفر را هم از دست نداد. در سال های اخیر به کمک فناوری کامپیوتری صدایی برای حرف زدن پیدا کرد که خودش به سمبلی صوتی بدل شد. بعدتر کتاب های جدیدش را با تصاویر شبیه سازی های کامپیوتری جذابتر کرد و به همراه دخترش مجموعه کتابی برای علاقه مند کردن کودکان به دانش تدوین کرد. روی بسیاری از آثار نویسندگان دیگر یادداشت نوشت و درباره مسائل اجتماعی و سیاسی روز اظهارنظر کرد.
هاوکینگ در طول عمرش، افتخارات متعددی کسب کرد. او در 32 سالگی وقتی هنوز بسیار جوان بود، عضو انجمن سلطنتی بریتانیا شد. در سال 1979 در دانشگاه کمبریج بر کرسی تدریسی تکیه زد که پیشتر نیوتن بر آن نشسته بود.
در برنامه های تلویزیونی متعددی حضور داشت و حتی صدایش به آلبوم های موسیقی گروه های پیشرو هم راه یافت. او ذهن همه را به خود مشغول کرده بود.
در سال 1958 وقتی دیگر نمی توانست نفس بکشد، با مرگ روبرو شد، اما جان سالم به در برد. حالا او تماماً امکان تکلم را از دست داده بود و وجود دستگاهی که بتواند به جایش سخن بگوید، ضروری بود. او دیگر نمی توانست بدون همراهی پرستاران و یک تیم پزشکی دائمی، به زندگی ادامه دهد. پس از جدا شدن از همسر اولش در سال 1995 با پرستارش الینا میسون ازدواج کرد که با توجه بسیار از او مراقبت می کرد؛ گرچه در سال 2007 از هم جدا شدند و مسائلی هم درباره بدرفتاری میسون با او منتشر شد و حتی کار به شکایت هاوکینگ از او رسید. البته دادگاه مدارک این ادعا را کافی ندانست و پرونده مختومه اعلام شد.
امیدوار به زندگی
با همه اینها، با وجود وضعیت فیزیکی بسیار دردآورش، همیشه نگاهی مثبت به زندگی داشت و از کارش لذت می برد؛ از کار با دانشمندان دیگر و دانشجویانش. گاه با صندلی چرخدارش دور اتاق چرخ می زد و کودکانی که آنجا بودند را سرگرم می کرد. به عمومی سازی نگاه مبتنی بر دانش توجه بسیار می کرد. در عین جدیت آدمی شوخ طبع بود.
از بین شاگردانش کم نبودند آنهایی که خودشان به دانشمندانی طراز اول بدل شدند، اما دانشجوی استفان هاوکینگ بودن هم کار آسانی نبود. همه می دانستند اگر استفان از دانشجویی راضی نباشد، چه تنبیهاتی در انتظارشان است! مثلاً چطور است که با ویلچر مخصوصش روی پای آنها برود! با این حال دانشجویانش او را استادی دست و دل باز توصیف می کنند که برایشان کم نمی گذاشت، در کارها سهیم شان می کرد و همیشه برایشان وقت داشت.
برای دانشجویان دیگر هم فرصت دیدار با استفان هاوکینگ می توانست نقطه عطفی در زندگی علمی شان باشد. ممکن بود آنها را به مسیری راهنمایی کند که به درستی متوجه چرایی آن نشوند. اما اگر به دقت در آنها خیره شویم و روی فهم شان اصرار بورزیم، شاید راهنمای ما به حقایقی عمیق باشند. این احتمالاً آن تصویری است که امروز برای ما از استفان هاوکینگ باقی مانده است.
استفان هاوکینگ یکی از تاثیرگذارترین فیزیکدانان قرن بیستم و شاید مشهورترین چهره علمی معاصر، شهرتش را به جزء ذهن زیبا و خلاقش، مدیون جسمی بود که بزرگترین دشمن زندگی اش شد. قصه دست و پنجه نرم کردن هاوکینگ با بیماری ALS که به فلج کامل جسم می انجامد، نه تنها حرکت او را کُند نکرد، که دستاوردهایش را در قابی بزرگتر به دنیا نشان داد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «جایگاه استفان هاوکینگ در جهان علم»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله بابک سلطانی در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
