دانلود مقاله پایان فیزیک

بخش اول استیون ویلیام هاوکینگ استاد کرسی لوکاشین در 29 اوریل 1980 در سالن کنفرانس کوکرافت در کمبریج انگلستان جایی که عرصه بالیدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روی صندلی‌های ردیف‌شده بر کف شیب‌دار سالن که مقابل دیواری پوشیده از وایت‌برد و پرده اسلاید بود، گرد‌هم آمده بودند.

این جلسه برای وضع اولین خطابه یک پروفسور جدید کرسی لوکاشین(Lucasian) ریاضی برقرار شده بود.

این پروفسور استفن ویلیام هاوکینگ ریاضی‌دان و فیزیک‌دان 38 ساله بود.

عنوان خطابه یک سوال بود: آیا دورنمای پایان فیزیک نظری دیده می‌شود؟

و هاوکینگ با اعلام این که پاسخ او به این سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده کرد!

او از حضار دعوت کرد تا به او بپیوندند و با گریزی شورانگیز از میان زمان و مکان جام‌مقدس علم را بیابند.

یعنی نظریه‌ای که جهان و هر چه را که در آن روی می‌دهد، تبیین کند.

استفن هاوکینگ در حالی که یکی از شاگردانش خطابه او را برای جمعیت گرد آمده قرائت می‌کرد.

روی صندلی‌چرخ‌دار نشسته بود.

در یک قضاوت ظاهری به‌نظر نمی‌رسید که او انتخاب مناسبی برای رهبری یک کار خطیر باشد.

فیزیک نظری برای او گریز بزرگی از یک زندان بود.

زندانی بسیار بدتر از آن‌چه در مورد آزمایشگاه‌های قدیمی کاوندیش به طعنه بیان می‌شد.

از اوایل بیست سالگی او با بیماری از کار افتادگی روزافزون که از مرگ زودرس او خبر می‌داد، می‌ساخت.

هاوکینگ مبتلا به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک(Amyotrophic Lateral Sclerosis) یا ALS بود و زمانی که کرسی لوکاشین رو عهده‌دار شد، دیگر توانایی راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را نداشت و اگر سرش به پایین می‌افتاد نمی‌توانست آن را بلند کند.

صحبت کردن او غیر مفهوم و فقط برای کسانی که وی را خوب می‌شناختند قابل درک بود.

برای خطابه لوکاشین، او با زحمت فراوان متن مورد نظر خود را قبلاْ دیکته کرده بود تا شاگردش بتواند، آن را قرائت کند.

اما هاوکینگ معلول نبوده و نیست.

او یک ریاضی‌دان و فیزیک‌دان برجسته است و بسیاری او را برجسته‌ترین فیزیک‌دان پس از انیشتین می‌دانند.

کرسی لوکاشین یک مقام آکادمیک ممتاز است که زمانی سر آیزاک نیوتن عهده‌دار آن بود.

هاوکینگ ضمن مبارزه دائمی با بیماری لاعلاجش همواره در تلاش برای دستیابی به پاسخ این سوال اصلی کیهان‌شناسی بوده است که این جهان از کجا آمده و به کجا می‌رود؟

زندگی او تلاشی مستمر و پیگیر در راه کشف حقایق این جهان است.

او به دنبال نظریه «همه چیز» است.

نظریه جامعی که بتواند قوانین حاکم بر جهان را در یک سری معادلات و قواعد خلاصه کند.

موقعی که نظریه نسبیت عمومی انیشتین را برای توضیح برخی ویژگی‌های فیزیکی سیاهچاله‌ها ناتوان می‌بیند، به مکانیک کوانتومی متوسل می‌شود.

سعی می‌کند این دو را در هم آمیزد.

فرضیه‌ای مطرح می‌کند.

فرضیه‌اش را مورد سوال قرار می‌دهد.

در راه کشف حقیقت به سوال‌هایی برمی‌خورد.

فضای خالی، خالی نیست!

سیاه‌ چاله‌ ها سیاه نیستند!

آغازها می‌توانند پایان‌ها باشند و ….

حقیقت بسیار پیچیده و گریزان است.

آیا هاوکینگ و دانشمندان دیگر روزی به نظریه همه چیز دست خواهند یافت؟

دانشمندان زیادی در این زمینه تلاش می‌کنند.

برخی حداقل به اندازه هاوکینگ شهرت دارند.

اما چیزی که زندگی هاوکینگ را متمایز می‌کند، امید است.

39 سال از از زمانی که پزشکان برای هاوکینگ عمری دو یا سه ساله در حالی که تکه‌گوشتی بیشتر نخواهد بود پیش‌بینی کرده بودند، می‌گذرد.

او هنوز با بیماریی که تمام عضلات او را از کار انداخته است، مبارزه می‌کند و کماکان به حیات پربار خود ادامه می‌دهد.

پیام او به دیگران همواره این بوده است که به بیماری‌اش نیندیشند.

بخش دوم قواعدی پشت قواعد دیگر هر ماده‌ای که بیندیشیم در جهان وجود دارد(مردم، هوا، یخ، ستارگان، گازها، میکروب‌ها، صفحه مانیتور شما) از اجزاء ساختاری بسیار ریزی به‌نام اتم تشکیل شده اند.

می‌دانیم که اتم‌ها بنوبه خودشان از موجودات کوچکتری به نام ذرات و یک فضای خالی بسیار بزرگ(در مقایسه با ابعاد این ذرات) ساخته شده‌اند.

همچنین می‌دانیم که برخی از ذرات خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند.

ذرات مادی رو که همگی می‌شناسیم.

پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الکترون‌ها که به دور هسته می‌چرخند.

ذرات مادی اتم رو به‌نام کلی فرمیون‌‌ها می‌شناسیم.

فرمیون‌ها یک سیستم پیام‌رسانی دارند که بین آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌های معینی موجب ایجاد تاثیر و در نتیجه تغییراتی در آن‌ها می‌شود.

سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها را در نظر بگیرید.

کبوتر نامه‌بر، پست، تلفن و فکس سرویس‌های این سیستم می‌تانند نامیده شوند.

اما همه انسان‌ها از هر 4 سرویس فوق برای رد و بدل کردن پیام بین همدیگر استفاده نمی‌کنند.

در مورد ذرات مادی هم سیستم پیام‌رسانی وجود دارد که سرویس‌های چهارگانه‌ای دارد.

این سرویس‌ها را نیرو می‌نامیم.

ذراتی وجود دارد که این پیام‌ها را بین فرمیون‌ها و در برخی موارد حتی بین خود رد و بدل می‌کنند.

این ذرات پیام‌رسان به‌طور مشخص بوزونBoson نامیده می‌شوند.

پس هر ذره‌ای که در جهان وجود دارد یا فرمیون هست یا بوزون.

گفتیم که سرویس‌های پیام‌رسان 4گانه نیرو نامیده می‌شوند.

یکی از این نیروها گرانش هست.

نیروی گرانش را که ما را روی زمین نگه می‌دارد، می‌توانیم مثل پیامی در نظر بگیریم.

حامل این پیام نوعی بوزون هست که گراویتون نامیده می‌شود.

گراویتون‌ها حامل پیامی بین ذرات اتم‌های بدن ما و ذرات اتم‌های زمین هستند و به ذرات مذکور می‌گویند که به‌هم نزدیک شوند.

نیروی دوم یا نیروی الکترومغناطیس پیام‌هایی هست که به‌وسیله بوزون‌هایی به‌نام فوتون بین پروتون‌های درون هسته یک اتم و الکترون‌های نزدیک به آن، یا بین الکترون‌ها رد و بدل می‌شوند.

این پیام‌ها موجب می‌شوند که الکترون‌ها دور هسته گردش کنند.

در مقیاس‌های بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان می‌دهند.

سومین سرویس پیام‌رسان نیروی قوی است که موجب می‌شود هسته اتم یکپارچگی خود را حفظ کند و چهارمین سرویس نیروی ضعیف است که موجب رادیواکتیویته می‌شود.

فعالیت این 4 نیرو باعث رد و بدل شدن پیام بین کلیه فرمیون‌های جهان و برهمکنش بین آنها می‌شود.

بدون این 4 نیرو هر فرمیون اگر هم وجود داشته باشد در جدایی به‌سر می‌برد، بدون این که بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثیر بگذارد.

بزبان ساده‌تر: اگر چیزی بوسیله این چهار نیرو روی ندهد، اتفاقی نخواهد افتاد.

درک کامل این چهار نیرو به ما امکان می‌دهد تا اصولی را که مبنای همه رویدادهای جهان هست، درک کنیم.

بسیاری از کارهای فیزیک‌دانان قرن بیستم برای آگاهی بیشتر از طرز عمل این جهار نیروی طبیعی و ارتباط بین آنها انجام شد.

در سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها، ممکن هست به این موضوع واقف بشیم که تلفن و فکس دو سرویس جداگانه نیستند.

بلکه هر دو اجزای یک سیستم واحدند که به دو طریق متفاوت جلوه‌گر می‌شوند.

آگاهی از این واقعیت موجب یگانگی دو سیستم پیام‌رسانی خواهد شد.

به طریق مشابهی فیزیک‌دان‌ها تا حدودی با موفقیت سعی کردند نوعی یگانگی بین نیروها رو استنباط کنند.

آنها امیدوار بودند نظریه‌ای بیابند که در غایت امر هر چهار نیرو را بوسیله یک ابرنیرو توجیه کند.

نیرویی که خودش را به‌گونه‌های مختلف نشان می‌دهد و نیز موجب یگانگی فرمیون‌ها و بوزون‌ها در یک خانواده می‌شود.

فیزیک‌دان‌ها این نظریه را نظریه یگانگی نام دادند.

این نظریه باید دنیا را توجیه کند.

یعنی نظریه همه چیز باید یک قدم پیش‌تر برود و به این سوال پاسخ بده: دنیا در لحظه آغاز قبل از این که زمانی بگذرد، چگونه بوده است؟

فیزیک‌دان‌ها همین سوال را بزبان خودشان با این عبارت بیان می‌کنند که: شرایط اولیه یا شرایط مرزی در آغاز جهان چه بوده است؟

درک کامل ابرنیرو ممکن هست که درک شرایط مرزی را هم برای ما امکان‌پذیر کند.

از طرف دیگر ممکن است که ضروری باشد که ما شرایط مرزی را بدانیم تا بتوانیم ابرنیرو را بفهمیم.

این دو بطور تنگاتنگی با یکدیگر ارتباط دارند و نظریه پردازان هم از هر دو طرف مشغول کار هستند تا به «نظریه همه‌چیز» ( از منشا آلمانی= Weltformel ) دست پیدا کنند.

بخش سوم نظریه‌ها نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و کهکشان‌هاست که برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است.

مکانیک کوانتومی نظریه‌ای است که نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند که بین فرمیون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند.

این نظریه اصل ناامیدکننده‌ای را نیز که اصل عدم قطعیت نام دارد در بر می‌گیرد.

بنابر این اصل هیچ‌گاه ما نمی‌توانیم همزمان مکان و سرعت(تندی و جهت حرکت) یک ذره را با دقت بدانیم.

با وجود این مسئله مکانیک کوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است.

یک راه برای ترکیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یک نظریه واحد آن است که گرانش را همانطور که در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌کنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم.

یک راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است.

اما اگر نیروی گرانش را مانند پیام بین ذرات در نظر بگیریم، با مشکلاتی مواجه می‌شویم.

قبلاْ دیدیم که شما می‌توانید نیرویی را که شما را روی زمین نگه می‌دارد، مثل تبادل گراویتون‌ها(همان پیام‌رسان‌های گرانش) بین ذرات بدن خود و ذراتی که کره زمین را تشکیل می‌دهند، در نظر بگیرید.

در اینصورت نیروی گرانشی با روش مکانیک کوانتومی بیان می‌شود.

اما چون همه گراویتونها بین خود نیز رد و بدل می‌شوند، حل این مساله از نظر ریاضی بسیار بغرنج می‌شود.

بی‌نهایت‌هایی حاصل می‌شوند که خارج از مفهوم ریاضی معنایی ندارند.

نظریه‌های علم فیزیک واقعاْ نمی‌توانند با این بی‌نهایت‌ها سر و کار داشته باشند.

آن‌ها اگر در نظریه‌های دیگر یافت شوند، تئوریسین‌ها به روشی که آن را ری‌نرمالیزیشن یا بازبهنجارش می‌نامند، متوسل می‌شوند.

ریچارد فاینمن در این باره می‌گوید: این کلمه هر چقدر زیرکانه باشد، باز من آن را یک روش دیوانه‌وار می‌نامم.

خود او هنگامی که روی نظریه‌اش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کار می‌کرد، از این روش سود جست.

اما او به این کار زیاد راغب نبود.

در این روش از بی‌نهایت‌های دیگری برای خنثی کردن بی‌نهایت‌های نخستین، استفاده می‌شود.

نفس این عمل اگر چه مشکوک است ولی نتیجه در بسیاری از موارد کاربرد خوبی دارد.

نظریه‌هایی که با به‌کارگیری این روش به‌دست می‌آیند، خیلی خوب با مشاهدات همخوانی دارند.

استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کارساز است ولی در مورد گرانش این روش موفق نبوده.

بی‌نهایت‌ها در مورد نیروی گرانش از جهتی بدتر از بی‌نهایت‌های نیروی الکترومغناطیسی هستند و حذفشان ممکن نیست.

ابرگرانش که هاوکینز در خطابه لوکاشین خود بدان اشاره کرد و نظریه ابرریسمان که در ا» اشیاء بنیادی جهان، بصورت ریسمان‌های نازکی هستند، پیشرفت‌های امیدوار کننده‌ای داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

راه دیگر از طرف دیگر اگر ما مکانیک کوانتومی را برای مطالعه اجسام بسیار بزرگ در قلمرویی که گرانش فرمانروای بی‌چون و چرا است، بکار گیریم، چه خواهد شد؟

به‌دیگر سخن اگر ما آنچه را که نظریه نسبیت عام در باره گرانش می‌گوید، در پرتو اصل عدم قطعیت بازنگری کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

همانطور که گفتیم طبق اصل عدم قطعیت(Uncertainty principle) نمی‌توان با دقت مکان و سرعت یک ذره را همزمان اندازه گرفت.

آیا این بازنگری موجب تفاوت زیادی خواهد شد؟

در ادامه خواهیم دید که استفن‌هاوکینگ در این زمینه به چه نتایج شگرفی دست یافته است.

سیاهچاله‌ها سیاه نیستند!

شرایط مرزی ممکن است به این نتیجه منتهی شود که مرزی وجود ندارد حالا که از ضد و نقیض‌ها گفتیم، یکی دیگر هم اضافه کنیم: فضای خالی، خالی نیست در ادامه خواهیم دید که چگونه می‌توان به این نتیجه رسید.

فعلا همینقدر بدانیم که اصل عدم قطعیت بدان معنی است که فضا مملو از ذره و پادذره است!

نظریه نسبیت عام همچنین به ما می‌گوید که وجود ماده یا انرژی سبب خمیدگی یا تاب‌خوردن فضا-زمان می‌شود.

یک نمونه خمیدگی آشنا می‌شناسیم.

خمیدگی باریکه‌های نور ستارگان دور هنگامی که از نزدیکی اجسام با جرم بزرگ نظیر خورشید می‌گذرند.

این دو موضوع را به‌یاد داشته باشیم: 1- فضای «خالی» از ذرات و پادذرات پر شده است.

جمع کل انرژی آن‌ها مقداری عظیم یا مقداری بی‌نهایت از انرژی است.

2- وجود این انرژی باعث خمیدگی فضا-زمان می‌شود.

ترکیب این دو ایده ما را به این نتیجه می‌رساند که کل جهان می‌بایستی در یک توپ کوچک پیچیده شده باشد.

چنین چیزی روی نداده است!

بدین‌سان موقعی که از نظریه‌های نسبیت عام و مکانیک کوانتومی توامان استفاده می‌شود، پیشگویی آن‌ها اشتباه محض است.

نسبیت عام و مکانیک کوانتومی هر دو نظریه‌های فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترین دستاوردهای فیزیک در قرن گذشته هستند.

از این دو نظریه نه‌تنها برای هدف‌های نظری بلکه برای بسیاری کاربردهای عملی، به‌نحوی درخشان استفاده می‌شود.

با وجود این اگر آن‌ها را با هم در نظر بگیریم، نتیجه همانطور که دیدیم بی‌نهایت‌ها و بی‌معنی بودن است.

نظریه همه چیز باید به‌نحوی این بی‌معنا بودن را حل کند.

بخش چهارم آیا پیش‌گویی ممکن است؟

نظریه همه‌چیز باید بتواند این امکان را به‌شخصی که جهان ما را ندیده است، بدهد که همه چیز را پیش‌گویی کند.

با چنین نظریه‌ای شاید بشود خورشیدها و سیارات و کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها و کوزارها را پیشگویی کرد.

اما آیا می‌شود به‌وسیله آن برنده مسابقه اسب‌دوانی سال أینده ایالت کنتاکی را پیشگویی کنیم؟

آیا این پاسخ قابل اعتماد است؟

نه‌چندان!

محاسبات لازم برای بررسی همه داده‌های جهان بطور مضحکی بسیار فراتر از ظرفیت هر کامپیوتر قابل تصوری خواهد بود.

آیا پیش‌گویی ممکن است؟

هاوکینگ می‌گوید که گر چه ما می‌توانیم معادلات حرکت دو جسم را با استفاده از نظریه نیوتن محاسبه کنیم، اما نمی‌توانیم همین محاسبات را دقیقاْ برای حرکت سه‌جسم انجام دهیم!

علت آن نیست که قوانین نیوتن در مورد بیش از دو جسم صادق نیستند.

بلکه پیچیدگی ریاضی معادلات کار را سخت می‌کند.

لازم به یادآوری هم نیست که در جهان واقعی با بیش از سه جسم روبرو هستیم.

ما در خصوص سلامتی خود نیز با وجود این که به شالوده اصول دانش پزشکی، شیمی، بیولوژی بسیار مسلط هستیم، نمی‌توانیم پیش‌گویی کنیم.

در اینجا نیز مساله آن هست که میلیاردها میلیارد رویدادهای جزئی در سیستم بدن انسان وجود دارد.

با دستیابی به نظریه همه چیز ما هنوز به طرز گیج‌کننده‌ای از پیش‌گویی همه‌ چیزها دور خواهیم بود.

حتی اگر اصول زیربنایی ساده و به‌خوبی فهمیده شده باشند، نحوه عملکرد آن‌ها فوق‌العاده پیچیده است.

پس این که چه اسبی در مسابقه اسب‌دوانی سال آینده کنتاکی برنده می‌شود، با نظریه همه‌چیز قابل پیشگویی است.

اما هیچ کامپیوتری نمی‌تواند تمام داده‌های این پیشگویی را در خود جای داده و معادلات آن را حل کند.

آیا این درست است؟

آری و خیر!

زیرا یک مسئله دیگر باقی است!

اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی!!!

در سطح بسیار ریز یعنی سطح کوانتومی جهان، اصل عدم قطعیت توانایی ما را برای پیش‌گویی رویدادها بسیار محدود می‌کند.

ساکنان عجیب و گرفتار دنیای کوانتوم‌ یعنی فرمیون‌ها و بوزون‌ها را در نظر بگیرید.

این‌ها باغ‌وحش عظیمی از ذرات را تشکیل می‌دهند.

الکترون‌ها و پروتونها و نوترونها در میان فرمیون‌ها وجود دارند.

هر پروتون و نوترون به نوبه خود از سه کوارک که آن‌ها هم فرمیون هستند، تشیل شده است.

بعد بووزن‌ها را داریم.

فوتون‌ها پیام‌رسان نیروی الکترومنیتیک، گراویتون‌ها پیام‌رسان نیروی جاذبه، گلوئون پیام‌رسان نیروی قوی و wها و Zها پیام‌رسان نیروی ضعیف هستند.

دانستن این که این‌ها و خیلی از موجودات شبیه آن‌ها کجا هستند؟

به کجا می‌روند؟

و با چه سرعتی می‌روند، ممکن است ما را یاری کند.

اما آیا می‌توانیم این چیزها را بدانیم؟

ارنست راترفورد در اوایل قرن بیستم در آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، مدلی از اتم را ارائه داد که در آن الکترونها در مدارهایی شبیه مدار سیارات به دور خورشید، دور هسته اتم می‌گردند.

ما اکنون می‌دانیم که مدارات الکترونها را نمی‌توان به این دقت و وضوح رسم کرد.

بهتر اسن بجای آن مدار الکترون‌ها را بصورت پراکنده و نامشخص شبیه ابری در اطراف هسته تصور کنیم.

این وضعیت در مورد همه ذرات دیگر هم به همین شکل است.

اصل عدم قطعیت همانطور که گفته شد، می‌گوید که نمی‌توان با دقت به‌طور همزمان مکان و سرعت یک ذره را تعیین کرد.

موضوع مثل الاکلنگی است که پایین رفتن یک سمت آن، منجر به بالا رفتن سمت دیگر می‌شود.

هر چه سرعت را دقیق‌تر اندازه بگیریم دقتمان در تعیین مکان ذره کمتر می‌شود و برعکس هر چه مکان دقیق‌تر پیش‌بینی شود، سرعت ذره را با دقت کمتری می‌توان تعیین کرد.

در دنیای کوانتوم موشکافی بیشتر به ویرانی می‌انجامد.

برای توصیف مدار یک ذره بهترین راه آن است که همه راه‌هایی را که آن ذره می‌تواند حرکت کند، بررسی و محاسبه کنیم.

این عمل ما را به مبحث احتمالات می‌کشاند.

در نهایت فقط می‌توانیم بگوییم که این ذره احتمال دارد در فلان مسیر حرکت کند و احتمال دارد فلان‌جا باشد.

با تمامات ابهامات چنین راهی، استفاده از آن اطلاعات مفیدی به ما می‌دهد.

در فیزیک کوانتومی فیزیک‌دانان راه‌های ماهرانه‌ای ابداء کرده‌اند تا زیرکانه ذرات را مشاهده کنند.

اما کارشان بی‌ثمر مانده است.

علت آن نیست که ما هوشیارانه عمل نکردیم یا بهترین ابزار مشاهده و اندازه‌گیری را به‌کار نگرفته‌ایم.

دنیای ذرات حقیقتاْ مبهم و غیر قطعی است.

تعجب‌آور نیست که هاوکینگ در سخنرانی لوکاشین خود از مکانیک کوانتومی به عنوان «نظریه‌ای در باره آن‌چه نمی‌دانیم و نمی‌توانیم پیش‌گویی کنیم» یاد کرد.

بخش پنجم بازنگری در هدف علم فیزیک با در نظر گرفتن محدودیت‌هایی که از آن‌ها یاد شد، فیزیک‌دانان تعریف جدیدی را از علم ارائه کرده‌اند: نظریه همه چیز مجموعه‌ای از قوانینی خواهد بود که پیشگویی رویدادها را تا حدی که اصل عدم قطعیت معین کرده است، امکان‌پذیر می‌سازد!

این بدان معنی است که در بسیاری موارد باید به احتمالات راضی شویم و از گرفتن نتایج مشخص و دقیق صرف‌نظر کنیم!

استیون هاوکینگ مسئله را چنین جمع‌بندی می‌کند!

او در پاسخ این سوال که آیا همه چیز از پیش به طور جبری به وسیله خدا یا نظریه همه چیز تعیین شده است؟

می‌گوید: ولی این امکان هم وجود دارد که چنین نباشد!

زیرا هرگز ممکن نیست که ما بدانیم چه چیزی از پیش معین شده است!

اگر نظریه از پیش تعیین کرده است که ما باید با چوبه دار اعدام شویم، بنابراین در آب غرق نخواهیم شد.

اما قبل از این که سوار یک قایق کوچک در دریایی طوفانی شویم، باید اطمینان داشته باشیم که سرنوشت ما برای اعدام با چوبه دار مقدر شده است!

به نظر هاوکینگ ایده آزادی اراده، نظریه تقریبی بسیار خوبی در باره رفتار بشر است!

اگر منصف باشیم، باید بگوییم که همه فیزیک‌دانان گمان نمی‌کنند که «نظریه همه چیز» وجود دارد یا اگر هست، دستیابی به آن برای ما میسر است.

بعضی از آن‌ها بر این باورند که علم با باریک‌بینی و اکتشافات پی‌ در پی به باز کردن اطاق‌های تو در توی اسرار ادامه خواهد داد ولی هیچ‌گاه به آخرین اطاق نمی‌رسد.

برخی دیگر چنین استدلال می‌کنند که رویدادها مسلماْ به‌طور کامل قابل پیش‌بینی نیستند و به‌طور تصادفی اتفاق می‌افتند.

برخی اعتقاد دارند که خدا و موجوداتی مثل بشر بسیار بیش از آن‌چه نظریه همه چیز ممکن است اجازه دهد، از آزادی کنش و واکنش در چارچوب جهان برخوردار هستند.

آنها می‌گویند که موضوع مثل نواختن یک موسیقی از پیش نوشته شده توسط ارکستر است.

باز هم نوازنده امکان آفرینش زیادی در نواختن نتها دارد.

امکانی که از پیش معین نشده است!

به هر رو چه یک نظریه رسا و کامل برای توضیح جهان هستی در دسترس بشر باشد یا امید دسترسی به آن در آینده وجود داشته باشد، افرادی بین ما هستند که می‌خواهند در راه دسترسی به آن کوشش کنند.

ما موجوداتی دلیر و دارای حس کنجکاوی سیری‌ناپذیر هستیم.

منصرف کردن برخی از ما مثل استیون‌هاوکینگ از چنین راهی، کار دشواری است.

موری گلمان فیزیک‌دان دیگری از Caltech که او نیز چنین کوششی دارد، می‌گوید: تکاپو برای فهمیدن این جهان، این که از کجا آمده است و چگونه کار می‌کند، سترگ‌ترین و ماندگارترین ماجرای زندگی بشر است.

دشوار است که در نظر آریم که مشتی ساکنان سیاره کوچکی در گردش به‌دور یک ستاره ناچیز در کهکشانی کوچک، سودایشان فهم همه این جهان پهناور باشد!

ذره بسیار خردی از هستی بر این باور باشد که توانایی فهم همه جهان هستی را دارد!

بخش ششم گرانش از گرانش و نور چه می‌دانیم؟

گرانش (جاذبه) یکی از نیروهای چهارگانه و برای ما از همه آشناتر است.

در کودکی به ما یاد داده‌اند که هنگامی که بستنی می‌خوریم، اگر روی قالی بریزد یا وقتی از روی تاب به زمین می‌افتیم، گناه از نیروی گرانش است.

اگر از شما بخواهند حدس بزنید که آیا نیروی جاذبه خیلی ضعیف یا خیلی قوی است، چه میگویید؟

احتمالا خواهید گفت: « فوق‌العاده قوی است!».

در این صورت در اشتباه خواهید بود.

این نیرو به‌مراتب، از سه نیروی دیگر ضعیف‌تر است.

گرانشی که در زندگی روزمره ما، این قدر محسوس است، گرانش سیاره بسیار بزرگی است که روی آن زندگی می‌کنیم یا در حقیقت، برآیند گرانش همه ذرات موجود در زمین است.

سهم هر ذره، ناچیز است.

برای اندازه‌گیری جاذبه گرانشی ضعیف بین اشیاء کوچکی که هر روز با آن‌ها سروکار داریم، به‌دستگاه‌های خیلی‌ دقیق، نیازمندیم.

ضمن این که گرانش همیشه حالت جذب دارد و هرگز دفع نمی‌کند، پس خصوصیت جمع‌پذیری دارد.

جان ویلر فیزیکدان، مایل است گرانش را شبیه یک سیستم دموکراتیک فرض کند.

هر ذره یک رأی دارد که می‌تواند بر هر ذره دیگر موجود در جهان اثر بگذارد.

اگر ذرات جمع شوند و رأی جمعی بدهند(مثلاْ در یک ستاره یا زمین)، تأثیر بیشتری اعمال می‌کنند.

جاذبه گرانش بسیار ضعیف تک‌تک ذرات، در اجسام بزرگی مثل زمین مانند همان رای دسته جمعی، با هم جمع می‌شوند و نیروی قابل توجهی پدید می‌آورند.

هر چقدر ذرات مادی که یک جسم را تشکیل می‌دهند، زیادتر باشد، جرم آن جسم بیشتر است.

جرم با اندازه یک جسم تفاوت دارد.

جرم تعیین می‌کند که چه قدر ماده در جسمی وجود دارد، یا تعداد آرا، در این رأی دسته جمعی چقدر است (بدون توجه به تراکم و تفرق این ذرات ماده) سر ایزاک نیوتن، در سالهای 1600 پروفسور کرسی لوکاشین ریاضیات در کمبریج بود.

وی همان مقامی را داشت که هاوکینگ امروزه دارد.

نیوتن قوانینی را کشف کرد که چگونگی عمل گرانش را در شرایط کم و بیش عادی، توضیح می‌دهند.

نخست این که اجسام درجهان درحال سکون نیستند.

آن‌ها به‌حال سکون نمی‌مانند تا نیرویی آن‌ها را با کشیدن یا راندن به حرکت درآورد و سپس با « از کار افتادن » این نیرو، بار دیگر به حال سکون درآیند.

بلکه بر عکس، اگر جسمی کاملاْ به حال خود گذارده شود، در امتداد یک خط راست بدون تغییر جهت و تغییر تندی به حرکت خود ادامه می‌دهد.

بهترین دیدگاه آن است که فکر کنیم، در جهان، همه چیز در حال حرکت است.

ما می‌توانیم سرعت یا جهت حرکت خود را نسبت به سایر اجسامی که در جهان وجود دارند، بسنجیم، اما نمی‌توانیم آن را نسبت به سکون مطلق یا چیزی مثل شمال و جنوب، بالا یا پایین مطلق اندازه‌گیری کنیم.

به عنوان مثال، اگر کره ماه در فضا تنها بود، در حال سکون نمی‌ماند بلکه در امتداد خط راست بدون تغییر سرعت، به حرکت خود ادامه می‌داد.

البته اگر ماه واقعاْ تنها بود، امکان نداشت که حرکت آن را به گونه‌ای که گفته شد، بیان کنیم زیرا چیزی نبود که حرکت ماه را به آن نسبت دهیم.

اما ماه کاملاْ تنها نیست.

نیرویی موسوم به گرانش، ماه را وادار می‌کند که تندی حرکت و جهت حرکت خود را تغییر دهد.

این نیرو از کجا می‌آید؟

این نیرو از مجموعه آراء ذرات نزدیک به‌هم (جسمی با جرم زیاد) می‌آید که همان زمین باشد.

ماه در برابر این تغییر، مقاومت می‌کند و سعی می‌کند که حرکت خود را روی یک خط راست نگه دارد.

در همین حال، گرانش ماه نیز روی زمین تأثیر می‌گذارد.

می‌دانیم که نمونه بارزش جذر و مد اقیانوس‌هاست.

نظریه گرانش نیوتن به ما می‌گوید که مقدار جرم یک جسم، چگونه بر شدت گرانش بین آن جسم و جسم دیگر، تأثیر می‌گذارد.

اگر عوامل دیگر تغییر نکنند، هر قدر جرم زیادتر باشد، جاذبه شدیدتر خواهد بود.

اگر زمین دو برابر جرم فعلی خود را داشت، جاذبه‌‌ای که بین زمین و ماه وجود دارد، نسبت به جاذبه کنونی آن، دو برابر می‌شد.

اما اگر فاصله ماه تا زمین، دو برابر فاصله کنونی بود، شدت جاذبه بین آنها یک‌چهارم شدت فعلی می‌شد.

(نظریه گرانش نیوتن را در کتب پایه فیزیک ببینید) نظریه گرانش نیوتن، نظریه بسیار موفقی بود و تا 200 سال بعد، مورد تجدید نظر واقع نشد.

هنوز هم ما از آن استفاده می‌کنیم در حالی که می‌دانیم، در بعضی شرایط، مثلاْ اگر نیروهای گرانشی فوق‌العاده شدید باشند(به عنوان مثال در نزدیکی یک سیاهچاله)، یا زمانی که اجسام با سرعتی معادل نور حرکت کنند، این نظریه دیگر صادق نیست.

آلبرت اینشتین، در اوایل این قرن، به مشکلی در نظریه نیوتن پی برد.

دانستیم که نیوتن، شدت گرانی بین دو جسم را به فاصله آنها، مربوط می‌دانست.

در صورتی که این فرضیه درست باشد، اگر خورشید در یک لحظه به هر دلیلی به فاصله خیلی دورتر از زمین برود، می‌بایستی جاذبه بین خورشید و زمین در همان لحظه تغییر کند.

آیا چنین چیزی ممکن است؟

نظریه نسبیت خاص اینشتین می‌گوید که سرعت نور ثابت است.

در هر مکان از جهان و با هر سرعتی که اجسام حرکت کنند، سرعت نور تغییر ناپذیر است و هیچ سرعتی، بالاتر از سرعت نور نیست.

نور خورشید در زمانی معادل 8 دقیقه به ما می‌رسد.

بنابراین، ما همیشه خورشید را آن طور می‌بینیم که هشت دقیقه پیش بوده است.

اگر خورشید از زمین دور شود، 8 دقیقه بعد، ما به هر اثری که این تغییر فاصله داشته باشد، پی خواهیم برد.

برای 8 دقیقه،‌ما خورشید را در همان مدار می‌بینیم که قبلاً دیده‌ایم.

مثل اینکه خورشید حرکتی نکرده است.

به عبارت دیگر، اثر گرانی یک جسم بر جسم دیگر، نمی‌تواند فوراْ تغییر کند!

زیرا سرعت انتقال گرانش که زیادتر از سرعت نور نیست.

اطلاع از اینکه خورشید چه اندازه دور شده است، نمی‌تواند فوراْ از طریق فضا به ما برسد.

این اطلاع‌رسانی، به هر وسیله‌ای که باشد، سریعتر از سرعت نور، یعنی 300000 کیلومتر در ثانیه که نخواهد بود.

بنابر این، روشن است که اگر بخواهیم در باره حرکت اجسام در جهان گفتگو کنیم، واقع بینانه نخواهد بود که تنها سه بعد فضا را در نظر بگیریم.

اگر هیچ چیز نمی‌تواند سریعتر از نور منتقل شود، چیزهایی در فاصله‌های نجومی، صرفاْ بدون یک عامل زمان نه برای ما وجود دارند و نه برای خود آن چیزها بین یکدیگر!

توصیف جهان در سه بعد همان قدر ناکافی است که بخواهیم یک مکعب را در دو بعد توصیف کنیم.

بسیار پرمعنی‌تر خواهد بود که بعدی به‌نام زمان را به ابعاد دیگر اضافه کنیم.

یعنی بپذیریم که در واقع، چهار بعد وجود دارد و به بحث فضا ـ زمان بپردازیم.

بخش هفتم نسبیت عام و فضا - زمان اینشتین چندین سال بی‌وقفه در تلاش بود تا نظریه‌ای در باره گرانش بیابد که با آن‌چه خود او در باره نور و حرکت نزدیک به سرعت نور یافته بود، هم‌خوان باشد.

او در سال 1915، نظریه نسبیت عام را اعلان کرد.

بنابراین نظریه گرانش نه به عنوان نیرویی بین اجسام، بلکه بر حسب شکل و خمیدگی فضا ـ زمان چهار بعدی، در نظر گرفته می‌شود.

در نسبیت عام، گرانش، هندسه جهان است.

برایس دویت، از دانشگاه تگزاس توصیه می‌کند که برای شروع فکر کردن در باره این خمیدگی، می‌توانیم فردی را تصور کنیم که عقیده دارد کره زمین کروی نیست، بلکه مسطح است و می‌خواهد یک شبکه شطرنجی صاف، روی زمین پهن کند: نتیجه را می‌توان از درون یک هواپیما، در روزی با هوای صاف، روی کشتزارهای گریت‌پلینز آمریکا، نگریست.

زمین، بین جاده‌های شمال جنوب و شرق ـ غرب به تکه‌هایی که هر یک، یک مایل مربع وسعت دارد، تقسیم شده است.

جاده‌های شرقی ـ غربی اغلب با خطوطی که در طول چند کیلومتر بریدگی ندارد، ادامه می‌یابد ولی در مورد جاده‌های شمال ـ جنوب، وضع بدین منوال نیست.

اگر یک راه شمالی ـ جنوبی را پی‌بگیریم، در هر چند مایل با پیش‌آمدگیها و پس‌رفتگیهایی، در شرق و غرب این جاده، برخورد می‌کنیم.

این بی‌قاعدگی‌ها، در اثر خمیدگی زمین پدید می‌آیند.

اگر این انحرافات را از بین ببریم، جاده‌ها به هم نزدیک شده و قطعاتی به وجود می‌آید که کمتر از یک مایل مربع وسعت خواهند داشت.

در حالت سه بعدی، می‌توان داربست غول پیکری را در فضا تصور کرد که از اتصال میله‌هایی راست با طول مساوی و زوایای 90 درجه و 180 درجه تشکیل شده باشد.

اگر فضا مسطح باشد، ساختمان این داربست بدون اشکال پیش می‌رود.

اما اگر فضا خمیده باشد، ساختمان داربست منوط به این خواهد بود که میله‌ها را کوتاهتر یا درازتر کنیم، تا روی خمیدگی فضا جا بیفتد.

بر اساس نظریه اینشتین، خمیدگی، به علت وجود جرم و انرژی ایجاد می‌شود.

هر جسم پرجرم بسیار بزرگ، در خمیدگی فضا ـ زمان، نقش دارد.

اجسامی که در «امتداد خطی مستقیم در جهان حرکت می‌کنند»، مجبور به دنبال کردن مسیرهای خمیده‌ای هستند.

یک تشک ورزش آکروبات را در نظر بگیریم.

فرض کنیم در مرکز آن، یک توپ بولینگ وجود دارد که تا اندازه‌ای در تشک، فرو می‌رود.

یک توپ کوچک بازی گلف را روی تشک در امتداد یک خط مستقیم به‌نحوی رها کنیم که از کنار توپ بزرگتر، بگذرد.

توپ گلف، هنگامی که به فرورفتگیهای نزدیک توپ، بولینگ که در اثر آن به وجود آمده است، می‌رسد، مسیر خودش را تغییر می‌دهد.

احتمال دارد که این توپ، از این هم فراتر رود.

ممکن است مسیر بیضی شکلی انتخاب کرده و به عقب بازگردد.

چیزی شبیه این، زمانی که کره ماه روی مسیر مستقیمی در نزدیکی زمین قرار دارد، روی می‌دهد.

زمین، فضا ـ زمان را همان گونه منحرف می‌کند که توپ بزرگ، مسیر توپ کوچک را تغییر می‌دهد.

مدار ماه، نزدیکترین چیز به خط مستقیم، در فضا ـ زمان منحرف شده است.

ملاحظه می‌کنیم که اینشتین، همان پدیده‌ای را که نیوتن به توجیه آن پرداخته بود، تشریح کرده است.

از نظر اینشتین، یک جسم با جرم زیاد، موجب انحراف فضا ـ زمان می‌شود.

در نظریه نیوتن یک جسم بزرگ روی جسم کوچکتر، نیرو اعمال می‌کند.

نتیجه در هر دو حالت، تغییر مسیر جسم کوچکتر است.

طبق نظریه نسبیت عمومی، «میدان جاذبه» و «خمیدگی» دو مفهوم یکسان‌اند.

اگر مدارهای سیارات منظومه شمسی را بر اساس نظریه‌های نیوتن و سپس با استفاده از نظریه اینشتین محاسبه کنیم، نتیجه، بجز در مورد عطارد، تقریباً یکسان خواهد بود زیرا عطارد نزدیکترین سیاره به خورشید است و بیشتر تحت تأثیر جاذبه خورشید، قرار می‌گیرد.

پیش‌بینی نتیجه این نزدیکی طبق نظریه اینشتین، اندکی با آنچه طبق نظریه نیوتن به دست می‌آید، متفاوت است.

مشاهدات نشان می‌دهد که مدار عطارد، با پیش‌بینی اینشتین، هم‌خوانی بهتری دارد، تا نظریه نیوتن.

نظریه اینشتین، پیش‌گویی می‌کند که چیزهای دیگری بجز ماه و سیارات نیز، تحت تأثیر خمیدگی فضا ـ زمان قرار می‌گیرند.

مثلاً فوتونها (ذرات نور)، باید در فضای خمیده حرکت کنند.

اگر باریکه نوری که از ستاره‌ای دور سیر می‌کند، مسیر آن از نزدیکی خورشید بگذرد، خمیدگی فضا ـ زمان در نزدیکی خورشید موجب می‌شود که این مسیر اندکی به طرف خوردشید خمیده شود همان گونه که مسیر توپ گلف به طرف توپ بولینگ، اندکی منحرف می‌شود.

شاید هم مسیر نور ستاره به نحوی خمیده شود که نور در نهایت با زمین برخورد کند.

خورشید خیلی نورانی‌تر از آن است که بتوانیم نور ستاره را در کنارش ببینیم مگر در حالت کسوف.

اگر ما ستاره را در این حالت ببینیم و متوجه نباشیم که خورشید مسیر نور ستاره را منحرف می‌کند، برداشتی نادرست خواهیم داشت از اینکه نور از کجا به طرف ما می‌آید و ستاره دقیقاْ در کجای آسمان جا دارد.

ستاره‌شناسان، با استفاده از این پدیده، جرم اجسام آسمانی را با اندازه‌گیری مقدار انحراف مسیر نور ستارگان دور، حساب می‌کنند.

هر چه جرم این «خم‌کننده» زیادتر باشد، خمیدگی مسیر نور بیشتر خواهد بود.

تا اینجا ما از گرانش، با در نظر گرفتن آنچه که در مقیاس بزرگ مشاهده می‌کنیم، گفتگو کردیم.

البته این مقیاسی است که در آن گرانش در ستارگان، کهکشانها و حتی تمام جهان آشکار می‌شود و این همان مقیاسی است که هاوکینگ در دهه 1960، با آن سروکار داشت اما، گرانش را می‌توان در مقیاسهای بسیار کوچک، حتی تا سطح کوانتومی نیز مورد توجه قرار داد.

در حقیقت، اگر ما به گرانش در این سطح توجه نکنیم، هرگز نمی‌توانیم به یگانگی آن با سه نیروی دیگر که دوتای آنها تنها دراین سطح عمل می‌کنند، دست یابیم.

روش مکانیک کوانتومی برای در نظر گرفتن نیروی گرانش بین ماه و زمین آن است که این نیرو را با تبادل گراویتونها (بوزونها یا ذرات پیام‌رسان نیروی گرانش)، بین ذرات تشکیل دهنده این دو کره در نظر بگیریم.