بسم الله الرحمن الرحيم
پايان فيزيك برگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and work نوشته Kitty Ferguson
شبيه فهرست استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين قواعدي پشت قواعد ديگر نظريهها آيا پيشگويي ممكن است؟ بازنگري در هدف علم فيزيك گرانش نسبيت عام و فضا -زمان اگر روزي زمين فشرده شود! تصوري از جهان ما سياهچاله و آنتروپي گريز از سياهچاله گامي بلند
استيون ويليام هاوكينگ استاد كرسي لوكاشين • آيا دورنماي پايان فيزيك نظري ديده ميشود؟ • كرسي لوكاشين يك مقام آكادميك ممتاز است كه زماني سر آيزاك نيوتن عهدهدار آن بود. • آيا هاوكينگ و دانشمندان ديگر روزي به نظريه همه چيز دست خواهند يافت؟
قواعدي پشت قواعد ديگر انواع ذرات : • فرميون ها ( پروتون ها ،نوترون ها و الكترون ها ) • بوزون ها ( نيرو ها ) نيروي نيروي نيروي نيروي
گرانش الكترومغناطيس قوي ضعيف
• هر ذرهاي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون. • اگر چيزي بوسيله اين چهار نيرو روي ندهد، اتفاقي نخواهد افتاد. • شرايط اوليه يا شرايط مرزي در آغاز جهان چه بوده است؟
نظريه ها •
نظريه نسبيت عام اينشتين – –
نظريهاي در باره جرمهاي آسماني بزرگ است. 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. مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء ،در سطوح
آيا پيشگويي ممكن است؟ • هاوكينگ ميگويد كه گر چه ما ميتوانيم معادلت حركت دو جسم را با استفاده از نظريه نيوتن محاسبه كنيم ،اما نميتوانيم همين محاسبات را دقيقا ْ براي حركت سهجسم انجام دهيم! • با دستيابي به نظريه همه چيز ما هنوز به طرز كنندهاي از پيشگويي همه چيزها دور گيج خواهيم بود .حتي اگر اصول زيربنايي ساده و بهخوبي فهميده شده باشند ،نحوه عملكرد
آيا پيشگويي ممكن است؟ • پس اين كه چه اسبي در مسابقه اسبدواني سال آينده كنتاكي برنده ميشود ،با نظريه همهچيز قابل پيشگويي است .اما هيچ كامپيوتري نميتواند تمام دادههاي اين پيشگويي را در خود جاي داده و معادلت آن را حل كند.
• آيا اين درست است؟ • آري و خير! زيرا يك مسئله ديگر باقي است! اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتومي!!! در سطح بسيار ريز يعني سطح كوانتومي جهان ،اصل عدم قطعيت توانايي ما را براي پيشگويي رويدادها بسيار محدود
آيا پيشگويي ممكن است؟ • ساكنان عجيب و گرفتار دنياي كوانتوم يعني اينها فرميونها و بوزونها را در نظر بگيريد. باغوحش عظيمي از ذرات را تشكيل ميدهند. الكترونها و پروتونها و نوترونها در ميان فرميونها وجود دارند .هر پروتون و نوترون به نوبه خود از سه كوارك كه آنها هم فرميون هستند ،تشكيل شده است .بعد بووزنها را فوتونها پيامرسان نيروي الكترومنيتيك، داريم. گراويتونها پيامرسان نيروي جاذبه ،گلوئون پيامرسان نيروي قوي و wها و Zها پيامرسان
بازنگري در هدف علم فيزيك • نظريه همه چيز مجموعهاي از قوانيني خواهد بود كه پيشگويي رويدادها را تا حدي كه اصل عدم قطعيت معين كرده است ،امكانپذير ميسازد! • استيون هاوكينگ مسئله را چنين جمعبندي ميكند! او در پاسخ اين سوال كه آيا همه چيز از پيش به طور جبري به وسيله خدا يا نظريه همه چيز تعيين شده است؟ ميگويد: • ولي اين امكان هم وجود دارد كه چنين نباشد!
بازنگري در هدف علم فيزيك • به نظر هاوكينگ ايده آزادي اراده ،نظريه تقريبي بسيار خوبي در باره رفتار بشر است! • 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 .برخي ديگر چنين استدلل ميكنند كه رويدادها مسلما ْ بهطور كامل قابل پيشبيني نيستند و بهطور تصادفي اتفاق ميافتند .برخي اعتقاد دارند كه خدا و موجوداتي مثل بشر بسيار بيش از آنچه نظريه همه چيز ممكن است اجازه دهد ،از آزادي كنش و واكنش در چارچوب جهان برخوردار هستند.
گرانش • براي اندازهگيري جاذبه گرانشي ضعيف بين اشياء كوچكي كه هر روز با آنها سروكار دستگاههاي خيلي دقيق ،نيازمنديم. داريم ،به حالت هميشه نخست اين • ضمن • دارد. جذبنيستند سكون درحال گرانشدرجهان كه اجسام اين كه آنها را با پس تا نيرويي نميمانند دفعسكون هرگزحال آنها به و خصوصيت نميكند، به حركت درآورد و سپس با « از كار راندن كشيدن يا دارد. پذيري جمع افتادن » اين نيرو ،بار ديگر به حال سكون درآيند. بلكه بر عكس ،اگر جسمي كامل ْ به حال خود گذارده جهت و بدون تغيير راست يك خط نيوتندر امتداد • شود، عمل چگونگي كرد كه كشف قوانيني را تغيير تندي به حركت خود ادامه ميدهد.
گرانش را در شرايط كم و بيش عادي ،توضيح ميدهند :
گرانش • نظريه گرانش نيوتن به ما ميگويد كه مقدار جرم يك جسم ،چگونه بر شدت گرانش بين آن جسم و جسم ديگر ،تأثير ميگذارد .اگر عوامل ديگر تغيير نكنند ،هر قدر جرم زيادتر باشد، جاذبه شديدتر خواهد بود .اگر زمين دو برابر جرم فعلي خود را داشت ،جاذبهاي كه بين زمين و ماه وجود دارد ،نسبت به جاذبه كنوني آن ،دو برابر ميشد .اما اگر فاصله ماه تا زمين ،دو برابر فاصله كنوني بود ،شدت جاذبه بين آنها يكچهارم شدت فعلي ميشد.
نسبيت عام و فضا -زمان بلكه وجود اجسام، به علت خميدگي،بين عنوان نيرويي اينشتين، نه به نظريه گرانش اساس نظريه • بر بسياردر پرجرمبعدي، زمان چهار هر ـجسم شود.فضا خميدگي ايجاد مي شكل و انرژي حسب جرم و بر اجسامي گرانش ،هندسه نقش دارد. زمان ،عام، فضا ـنسبيت شود .در خميدگي گرفته مي بزرگ ،در نظر امتداد خطي مستقيم در جهان حركت است. در « جهان كه ميكنند» ،مجبور به دنبال كردن مسيرهاي خميدهاي هستند.
نسبيت عام و فضا -زمان • از نظر اينشتين ،يك جسم با جرم زياد ،موجب انحراف فضا ـ زمان ميشود. • نتيجه در هر دو حالت ،تغيير مسير جسم كوچكتر است .طبق نظريه نسبيت عمومي، «ميدان جاذبه» و «خميدگي» دو مفهوم يكساناند. • در نظريه نيوتن يك جسم بزرگ روي جسم كوچكتر ،نيرو اعمال ميكند.
!اگر روزي زمين فشرده شود • از ستارهاي شروع كنيم كه جرمي در حدود ده برابر جرم خورشيد دارد. • شعاع ستاره تقريبا ً 3ميليون كيلومتر يعني قريب 5برابر شعاع خورشيد است. • سرعت گريز از اين ستاره حدود 1000 كيلومتر در ثانيه و عمر آن نزديك به 100 ميليون سال است .
!اگر روزي زمين فشرده شود روزكهدر پنرا كرهواي هاوكينگ • شعاع ،1960برابر گريز آن سرعتدهه اواخر مرز باشدبراي جديدي پيشنهاد نور سرعت بدون سياهچاله ارائه سياهچاله ،شعاع تعريف تعريف، اين رويداد بنابرافق بازگشت يا كردند. سياهچاله ناحيهاي از مينامند. مجموعهاي از جهان يا « رويدادها»ست كه از يك فاصله معين ،گريز از آن براي هيچ چيز ممكن نيست.
تصوري از جهان ما • ستاره عضيم مورد بحث ما ،با جرمي ده برابر جرم خورشيدي ،پس از رمبش به ناحيهاي به شعاع 30 كيلومتر كه افق رويداد آن است محدود نميشود، بلكه شعاع نهايي و نيز حجم آن به صفر ميرسد. • مينامند. رياضيدانان اين مرحله را تكينگي • در چنين تكينگي ،چگالي ماده ،به بينهايت ميرسد. خميدگي فضا ـ زمان ،بينهايت ميشود ،و پرتوهاي نور تنها در اطراف پيچيده نميشوند ،بلكه به طوري بينهايت فشرده ،به هم ميپيچند.
تصوري از جهان ما • فريدمان كار خود را با دو فرض آغاز كرد؟ • در گذشته ي ما يك تكينگي وجود دارد • ( )1جهان ،در هر جهت كه به آن نگاه كنيم ،يكسان است (به استثناي چيزهايي كه نزديك هستند مثل منظومه شمسي و كهكشان راه شيري از ديدگاه ما)؛ • ( )2جهان از هركجا كه به آن نگاه كنيم يكسان است.
تصوري از جهان ما • در مدل فريدمان ،زمان مثل فضا نامحدود نيست. ميتوان آن را اندازهگيري كرد .زمان بر خلف فضا مرزهايي دارد:يك آغاز و يك پايان .انبساط آنقدر آهسته و جرم به قدر كافي در جهان موجود است كه در نهايت ،جاذبه گرانشي ،انبساط را متوقف كرده و موجب منقبض شدن جهان شود .كهكشانها بار ديگر به يكديگر نزديك ميشوند .در پايان زمان ،فاصله آنها بار ديگر به صفر ميرسد. •
.
سياهچاله و آنتروپي
• يك سياهچاله هيچگاه نميتواند كوچكتر شود زيرا سطح يك افق رويداد (شعاع-غيرقابل- بازگشت كه در آنجا سرعت ،از سرعت نور فراتر ميرود) هرگز نميتواند كاهش يابد.
سياهچاله و آنتروپي • مسيرهاي پرتوهاي نور كه در افق رويداد سرگردان هستند نميتواند مسيرهاي پرتوهاي نور باشد كه به يكديگر نزديك ميشوند .مسيرهاي پرتوهاي نور كه به يكديگر نزديك ميشوند ،به شدت به هم برخورد ميكنند ،به سياهچاله سرازير ميشوند و ديگر سرگردان نيستند .براي اينكه ناحيه افق رويداد كوچكتر شود (و سياهچاله كوچكتر شود) ،ميبايد مسيرهاي پرتوهاي نور در افق رويداد به يكديگر نزديك شوند .ولي اگر اين طور شود ،اين پرتوها به داخل سرازير ميشوند ،افق رويداد باز هم درست در همان جا كه بوده است خواهد ماند و كوچكتر نخواهد شد.
سياهچاله و آنتروپي ميتواند • ناحيه افق رويداد (مرز سياهچاله) ثابت بماند يا بزرگتر شود ولي هيچگاه نميتواند كوچكتر شود .اگر دو يا چند سياهچاله به هم برخورد كنند و يك سياهچاله تشكيل دهند ،ناحيه افق رويداد جديد مساوي، يا بيشتر از جمع افق رويدادهاي قبلي خواهد بود .يك سياهچاله نميتواند ،هر قدر هم برخورد شديدي داشته باشد ،كوچكتر شود ،از بين برود يا به دو سياهچاله تقسيم شود.
گريز از سياهچاله • بكنشتاين اين طور فكر ميكرد كه سطح افق رويداد يك سياهچاله تنها مانند آنتروپي نيست بلكه خود آنتروپي است .هنگامي كه شما سطح افق رويداد را محاسبه ميكنيد ،در واقع آنتروپي سياهچاله را اندازه ميگيريد .هنگامي كه چيزي مثل يك قوطي پر از مولكول را به داخل سياهچاله مياندازيد ،به جرم سياهچاله اضافه ميكنيد ،سطح افق رويداد بزرگتر ميشود و آنتروپي سياهچاله نيز افزايش مييابد.
گريز از سياهچاله • فكر بكنشتاين درست بود :شما نميتوانيد با انداختن ماده حامل آنتروپي به سياهچاله ،آن را مثل سطل آشغال در نظر بگيريد :آنتروپي را كاهش دهيد و نظم جهان را افزايش دهيد .زماني كه مواد حامل آنتروپي به سياهچاله ريخته ميشوند ،مساحت افق رويداد افزايش مييابد .آنتروپي سياهچاله زيادتر ميشود، پس جمع آنتروپي جهان در داخل و خارج سياهچاله هيچ كاهش نيافته است. •
گريز از سياهچاله • زوجهايي از ذرات ـ زوجهاي فوتونها يا گراويتونها ـ مدام ظاهر ميشوند .دو ذره به صورت يك جفت در ميآيند و سپس از هم جدا ميشوند .پس از فاصله زماني بسيار كوتاه غيرقابل تصوري ،آن دو ذره بار ديگر به هم ميرسند ،و يكديگر را منهدم ميكنند حياتي كوتاه ولي پر ماجرا دارند .مكانيك كوانتومي به ما ميگويد كه اين واقعه هميشه و همه جا در فضاي «خل» روي ميدهد.
گريز از سياهچاله • هر تغيير در جرم جسم ،مقدار كشش گرانشي آن را كه بر جسم ديگر اعمال ميكند ،تغيير ميدهد .اگر جرم زمين كمتر شود (جرمش كمتر شود نه آنكه كوچكتر شود) كشش گرانش آن در مدار حركت ماه كاهش مييابد .اگر سياهچاله جرم از دست بدهد، كشش گرانشي آن در جايي كه افق رويداد (شعاع بدون بازگشت) وجود دارد ،كاهش مييابد .سرعت گريز در اين شعاع كمتر از سرعت نور ميشود .در اين حال شعاع افق رويداد كوچكتر از شعاعي ميشود كه در آن سرعت گريز برابر با سرعت نور بوده است .در نتيجه افق رويداد منقبض شده است. اين ،تنها راه توجيه كوچكتر شدن سياهچاله است.
گريز از سياهچاله • نوع ديگري از سياهچاله وجود دارد: سياهچالههاي خيلي ريز كه جالبترين آنها به اندازه هسته اتم است .اين سياهچالهها بهطور قطع منفجر ميشوند و تابش ميكنند .به ياد داشته باشيم كه هر قدر سياهچاله كوچكتر باشد ،دماي سطح آن بيشتر است .هاوكينگ در مورد اين سياهچالههاي بسيار ريز ميگويد« : اين سياهچالهها را به زحمت ميتوان سياه ناميد :آنها در حقيقت داغ و سفيدند».
گامي بلند • سياهچالههاي آغازين كه هاوكينگ آنها را Primordial مينامد ،از ُرمبش ستارگان پديد Black Holes نميآيند .آنها بقاياي جهان نخستيناند .ما اگر ميتوانستيم ،ماده را به اندازه كافي بفشريم ممكن بود يكي از آنها را درست كنيم ولي توانايي آن را نداريم .اما در جهان بسيار نسختين ،فشار آنقدر زياد بوده كه امكان آن وجود داشته است .بعضي از مواقع تنها مقدار كمي ماده فشرده شده است .در هر حال، اكنون يك سياهچاله بدوي ،نسبت به زمان آغاز پيدايش آن بسيار كوچكتر است ،زيرا در طول زمان طولني مقداري از جرم خود را از دست داده است.