گریز از چنگال تکینگی

«استفن هاوکینگ» هدف خود را در زندگی علمی، تلفیق نسبیت عام اینشتین و نظریه کوانتوم قرار داده است. اگر این تلاش به موفقیت بینجامد نظریه گرانش کوانتومی را خواهیم داشت و زیرشاخه های مربوط به آن مانند کیهان شناسی کوانتومی و نظریه کوانتومی سیاهچاله ها. پیش از او «آلبرت اینشتین» نیز بخش عمده ای از زندگی خود را صرف وحدت بخشی به نظریه های گرانش و الکترومغناطیس کرده بود.

فضا و زمان مفاهیم بنیادی فیزیک و تفکر بشر هستند. به سختی می توان گزاره ای علمی را تصور کرد که در آن، این دو مفهوم نقشی نداشته باشند. تحول مهمی که ابتدای قرن بیستم در تفکر انسان رخ داد، این بود که «اینشتین»۱ برای بیان نسبیت عام این دو مفهوم را ترکیب کرد. نیروی گرانش که بشر آن را از زمان «نیوتن» می شناخت، در معادلات میدان ظاهر شد که از مفهوم ترکیبی فضا زمان استفاده می کند. ساختار این معادلات به گونه ای است که نیازمند مفاهیم ریاضی نسبتاً جدید و پیچیده ای چون آنالیز تانسوری و هندسه ریمانی است که در آن خمیدگی فضا زمان در اثر وجود انرژی و تکانه توصیف می شود. نکته مهم آن بود که در متریک یا شیوه اندازه گیری فواصل نقاط در فضا و زمان، این دو مفهوم دیگر مطلق و مجرد از یکدیگر نبودند. این تحول بنیادی بدون مقاومت نماند. به رغم اینکه پیش بینی های نظریه عام به سرعت بررسی و در آزمایش تایید شدند، دولت آلمان (یکی از کشورهایی که خود را پیشرو علم و صنعت می دانست) به دلیل دشمنی با شخص «اینشتین»، با نظریه نسبیت عام مخالفت کرد و آن را به عنوان فیزیک یهودی رد کرد. خوشبختانه قضاوت تاریخ نسبت به چنین اقدام هایی به اندازه همان رفتارها، بی رحمانه است و امروز چیزی به غیر از لبخند پژوهشگران تاریخ علم از آن مخالفت سرسختانه ولی نادرست و بیجا باقی نمانده است.

تحول دیگری که همزمان در فیزیک قرن بیستم رخ داد، پیدایش نظریه کوانتوم بود. ابتدا ذرات به عنوان کوانتوم ها یا بسته موج ها شناخته شدند که از قوانین مشابه امواج پیروی می کنند. احتمال ظهور آنها در آزمایش های گوناگون و خاصیت های قابل اندازه گیری آنها دارای تابعیت موجی است. نظریه کوانتوم سپس به میدان های میان ذرات و برهمکنش های میان آنها گسترش یافت و نظریه کوانتومی میدان ها به دست آمد. پیش بینی های این نظریه در آزمایش های متعدد بررسی و با دقت های بسیار زیاد تایید شده است. از این رو مدلی برای برهمکنش میان ذرات به دست آمده که به نام مدل استاندارد شناخته شده است. البته ذرات در فواصل بسیار کوچک برهمکنش می کنند.

حتی برهمکنش های الکترومغناطیسی که نیروی دوربردی است، به دلیل خنثی بودن الکتریکی ماده در ابعاد بزرگ تر دیده نمی شود. نیروی غالب در ابعاد نجومی و کیهانی، نیروی گرانش است که حرکت ماه و زمین و خورشید و منظومه خورشیدی و خوشه های ستاره ای و کهکشان راه شیری را تعیین می کند. از طرفی میدان گرانش دارای خواصی متفاوت از سایر برهمکنش های میان ذرات است و در چارچوب مدل استاندارد ماده قابل توضیح نیست. این موضوع انگیزه ای بود برای پژوهشگران قرن بیستم که تلاش کنند نظریه ای واحد ارائه دهند که در آن هم نظریه کوانتومی میدان های مدل استاندارد بگنجد و هم گرانش و نسبیت عام و فضا زمان خمیده آن. با وجود گذشت چند دهه از آغاز این تلاش از زمان «اینشتین»، تاکنون چنین نظریه ای که مورد توافق جمع پژوهشگران فیزیک قرار بگیرد، ارائه نشده است. نظریه ای به نام «ریسمان» یا «ابرریسمان» یکی از مهم ترین تلاش هایی است که تاکنون در این زمینه صورت گرفته است. اکنون حدود ۴۰ سال از زمانی که این نظریه مطرح شده است، می گذرد و جامعه فیزیک همچنان در انتظار پیش بینی هایی از نظریه «ریسمان» است که در آزمایش قابل تایید یا رد باشد. ابطال پذیری یکی از شرط های مهم یک نظریه علمی است. با وجود اینکه بیش از ۹۰ سال از سن نظریه نسبیت عام گذشته و در هیچ یک از آزمایش های انجام شده در زمین و فضا، پیش بینی های نسبیت عام نقض نشده است، روشن است که این نظریه نمی تواند کامل باشد.

پس از طرح معادلات نسبیت عام که مجموعه ای است از چند معادله دیفرانسیل غیرخطی دارای مشتق های جزیی مرتبه دوم، به مرور حل های این معادلات محاسبه شدند. ابتدا «شوراتزشیلد» در سال ۱۹۱۶ موفق شد معادلات را در فضایی با تقارن کروی حل کند که به نام او شناخته می شود و در آن محدوده ای از فضا زمان دیده می شود که از سایر محدوده های فضا زمان جدا شده است. چنین محدوده ای که در آن کمیت هایی چون چگالی ماده و خمیدگی فضا زمان به بی نهایت می رسند، بعداً سیاهچاله نام گرفتند. نقاطی که در آن کمیت ها به بی نهایت می رسند، تکینگی نام دارند و در مطالعه خواص فضا زمان در نسبیت عام نقش مهمی دارند. سپس در سال ۱۹۲۱ ریاضیدانی به نام «فریدمان» دسته دیگری از حل های معادلات نسبیت عام را در فضا زمانی به دست آورد که در همه نقاط یکسان است.

این معادلات در کیهان شناسی نقش بسیار مهمی دارند و عالمی را پیش بینی می کنند که ایستا نیست. عالم فریدمانی دارای تحول است. پیش از آن «اینشتین» تلاش کرده بود با وارد کردن یک ثابت معروف به ثابت کیهان شناسی راه حلی ارائه کند که در آن عالم ایستا باشد. از یک سو چنین عالمی مانند گویی که روی یک سوزن ایستاده باشد، ناپایدار است و از سوی دیگر شواهد رصدی که ستاره شناس امریکایی به نام «هابل» یافت، نشان دادند که عالم در حال تحول و انبساط است. در چنین عالمی تکینگی در ابتدای عالم ظاهر می شود یعنی با برگردان کردن فرضی انبساط عالم، به شرایطی می رسیم که چگالی و دمای آن به ظاهر بی نهایت است.

در حل های پیچیده تری که از آن زمان تاکنون برای معادلات نسبیت عام ارائه شده نیز تکینگی وجود دارد. چون در طبیعت کمیتی که بی نهایت باشد، تاکنون مشاهده نشده است، بسیاری از پژوهشگران بر این باورند که بروز این تکینگی ها ناشی از کامل نبودن نسبیت عام است. در بررسی خواص هندسی فضا زمان های دارای چنین تکینگی ها، برقراری اصل علیت و امکان برطرف کردن این تکینگی ها، دو پژوهشگر بریتانیایی به نام های «راجر پنروز» و «استفن هاوکینگ» نقش مهمی داشته اند. آنها موفق به اثبات چند قضیه مهم درباره شرایط بروز تکینگی ها و خواص فضا زمان های دارای تکینگی شدند. از سایر کارهای مهمی که آنها انجام دادند، مقایسه ترمودینامیک و به خصوص مفهوم آنتروپی در توصیف سیاهچاله ها بود. همچنین «هاوکینگ» با به کار گرفتن نظریه کوانتومی میدان در نزدیکی یک سیاهچاله موفق شد وجود یک تابش گرمایی را پیش بینی کند که برخلاف انتظار از یک سیاهچاله گسیل می شود. ممکن است در آزمایش های آینده وجود چنین تابشی که «تابش هاوکینگ» نام دارد، کشف شود؛ کشفی که در شناخت ما از ساختار فضا زمان، سیاهچاله ها و نسبیت عام اهمیت زیادی خواهد داشت.

مشکل تکینگی ابتدای فضا زمان در کیهان شناسی نقش مهمی دارد. اگر از قوانین شناخته شده فیزیک برای محاسبه شرایطی که عالم اولیه در آن به سر می برده استفاده کنیم، نتیجه عالمی بسیار داغ و فشرده است که مهبانگ نام دارد. با به کار بردن قوانین شناخته شده فیزیک، از جمله فیزیک اتمی، هسته ای و ترمودینامیک در کیهان شناسی به خواصی از عالم در ۱۴ میلیارد سال پیش می رسیم که نتیجه آن، پیش بینی های بسیار مهمی از خواص عالم امروزی است. یکی از این پیش بینی ها وجود تابشی است که از همه سو به نحوی یکسان به ما می رسد. چنین تابشی با دمای بسیار کم ۳ کلوین (۲۷۳درجه سانتیگراد زیر صفر) در زمان کنونی، بازمانده مستقیم مهبانگ است و تابش زمینه ای کیهان نام دارد که در سال ۱۹۶۵ کشف شد. علاوه بر آن، افت وخیزهایی به میزان ۱۰ میلیونیم کلوین در آن پیش بینی می شد که سال ۱۹۹۲ با پرتاب ماهواره کوبی به فضا کشف شد.

هر دو این اکتشاف ها با دریافت جایزه نوبل، بالاترین پاداش را در حیطه علم از آن خود کردند که نشان دهنده اهمیت آنهاست. در کنار این موفقیت ها، مشکل تکینگی ابتدای عالم همچنان بر قوت خود باقی است. معادلات دیفرانسیل مانند معادله «فریدمن» در فیزیک نقش بسیار مهمی دارند. برای حل آن به غیر از خود معادله به اطلاعاتی نیاز است که شرایط مرزی یا شرایط آغازین نام دارند. برای حل مشکل شرایط آغازین عالم راه های مختلفی پیشنهاد شده است. از جمله راه های پیشنهادی نظریه هایی هستند که طبق آن عالم در ابتدا با سرعت بسیار زیاد رشد می کند. در چنین نظریه هایی که تورم نام دارند، اثر شرایط اولیه عالم از بین می رود. بنابراین شرایط اولیه هرچه بوده از بین رفته و از دید طرفداران این راه حل، نیازی به محاسبه ای برای تعیین شرایط اولیه نیست. مشابه این، دیدگاهی است که طبق آن همه شرایط اولیه ممکن وجود داشته اند و منجر به عالم های متفاوت شده اند.

دسته دیگری از راه های پیشنهادی، نظریه هایی هستند که شرایط اولیه ای در آن بروز نمی کند، مانند عالم ایستا یا عالمی که در آن تورم به صورت آشوبی رخ می دهد. در راه حل پیشنهادی «هاوکینگ» که از این دسته است، فضا زمان در زمان های بسیار کوچک ماهیت خود را عوض می کند و به فضا فضا تبدیل می شود. در مدل های ارائه شده «هاوکینگ»، تکینگی ابتدای عالم یا بروز نمی کند یا به صورت خفیف ظاهر می شود. دسته سوم نظریه هایی هستند که قصدشان توضیح شرایط اولیه از شرایطی است که عالم پیش از تکینگی آغازین در آن بوده است یا حتی از هیچ چیز.