بررسی پیدایش جهان از نظر استيون هاوکينگ
زيست نامه
استيون هاوکينگ در سال 1942 در انگلستان زاده شد. به دليل علاقه بسيار به رياضي و فيزيک، در رشته فيزيک نظري در دانشگاه کمبريج مشغول به تحصيل شد. در حين تحصيل اندک اندک آثار يک بيماري مرموز در او ظاهر گشت و خيلي زود مشخص شد که اين بيماري، موتور نورون يا E.L.S است كه سلولهاي حركتي دستگاه عصبي مرکزي و محيطي را از کار مياندازد. در سال 1962، پزشکان که شاهد پيشرفت سريع بيماري او بودند، به او گفتند دو سال بيشتر زنده نخواهد ماند زيرا تجربه پزشکي نشان داده که رهايي از اين بيماري ترسناک غيرممکن است. اما او خود چنين اعتقادي نداشت. عمل و اقدام او نشان ميداد که گر چه آرام آرام حرکات دست و پايش را از دست داد و مجبور شد بر روي چرخ متحرک بنشيند، اما نور اميدي در دل به او ميگفت که او زنده خواهند ماند و معجزهاي رخ خواهد داد و چنين شد.
او در دانشگاه با همسرش "جين وايلد" آشنا شد. ظهور و حضور او در زندگي هاوکينگ نقطه عطفي بود. او ميگويد : غير يک از مورد ابتلاء به بيماري E.L.S ، تقريبا در ديگر موارد زندگي بخت با من يار بوده است. او همواره در اين مورد بر نقش همسرش در فائق آمدن بر مشکلات بيماري خود تاکيد ميورزد: به ياري همسرم جين و فرزندانم زندگي من بطور نسبي به روال عاري ميگذرد و موفقيت قرين من بوده است.
هاوکينگ در سال 1965، با جين ازدواج ميکند. همسرش يک مسيحي معتقد و دکتراي ادبيات پرتغالي است. در همان سال، بيماري او تشديد ميشود و ابتلا به ذات الريه، پزشکان را مجبور به انجام عمل جراجي بر روي ناي او ميسازد. او که اعصاب حرکتي خود را قبلا بکلي از دست داده بود، توانايي سخن گفتن را نيز از دست ميدهد و از تمامي بدنش، تنها يکي دو انگشت دست خود را ميتواند تکان دهد. يکي از اساتيد دانشگاه، با استفاده از يک برنامه رايانهاي ارتباطي، دستگاهي به نام "مرکز زنده" براي او ميسازد تا بر چرخ متحرک خود سوار کند و به کمک يکي دو انگشت خود، افکارش را به رايانه منتقل کند تا به صوت تبديل شود و بدين ترتيب هاوکينگ بتواند با دنياي اطراف ارتباط برقرار کند.
هاوکينگ که سرزندگي و شوخ طبعي را در ذات خود پرورش داده است همواره تحصيل در رشته فيزيک نظري را خوش اقبالي ديگر خود به شمار ميآورد: خوش اقبالي ديگر من گزينش فيزيک نظري است چرا که در اين رشته همه چيز در ذهن انسان ميگذرد، در نتيجه معلوليت من نتوانسته مانعي جدي براي من ايجاد کند.
هاوکينگ احتمالا معروفترين دانشمند زنده جهان است. او نامدارترين فيزيکدان تاريخ است که جايزه نوبل را از آن خود نکرده است، شايد بدين دليل که کارهاي او تاکنون ثابت نشده باقي مانده است. هاوکينگ در سال 1970 به همراه دوست و همکارش راجر پنروز، اولين اثر مشترک علمي خود را عرضه کرد و در آن نشان دادند که هر پاسخ معادله نسبت عام انشتين متضمن وجود يک مرز تکينگي براي زمان و فضا در گذشته است. بدين ترتيب او در اثبات نظريه مهبانگ (انفجار بزرگ) با استفاده از تئوري نسبت عام کوشيد. در سال 1973 در کار مشترکي با جرج آليس به تشريح ساختمان کلان فضا ـ زمان پرداخت که يک اثر بسيار فني و دشوار است. در دهه 1970 به طور متمرکز بر روي سياهچالهها کار کرد و به فرموله کردن بخار شدن کوانتمي سياهچالهها موفق شد که اکنون به "تابش هاوکينگ" معروف است. او در اين دوره کتابها و مقالات متعدد ديگري نيز منتشر کرد و در آن با بيان رياضي و فني، تئوريهاي فيزيک نظري جديد را کاويد. رياضيات در نظر او بسيار زيبا و دوستداشتني است. کارهاي برجسته او در زمينه بکارگيري رياضيات در فيزيک نظري، او را تا مقام استاد لوکازين(Lucasian) رياضيات دانشگاه کمبريج ارتقاء داد. پيش از آن، اين کرسي مهم تنها به نيوتن و پل ديراک تعلق داشت.
در سال 1998، کتاب "تاريخچه زمان" را منتشر کرد و در آن کوشيد بدون بکار بردن فرمولهاي خشک رياضي، سرگذشت و سرنوشت جهان را توضيح دهد، تنها فرمول بکار رفته در اين کتاب، فرمول معروف هم ارزي جرم و انرژي انشتين (E = mc2) است. او هدف از نوشتن اين کتاب را نشان دادن راه طي شده در جهت فهم جهان ذکر ميکند و ميگويد: بر آن شدم که کتابي درباره زمان و مکان بنويسم که مورد استفاده همگان باشد. مفاهيم اساسي مربوط به سرچشمه و سرنوشت هستي را ميتوان بدون استفاده از رياضيات چنان تشريح کرد که براي افراد عادي نيز مفهوم واقع گردد. او در اين کتاب درصد پاسخگويي به پرسشهايي از اين دست بر آمده است: جهان از کجا آمده؟ چگونه وچرا بنياد گرفته؟ آيا پاياني بر آن متصور است و اگر آري، چگونه؟
او در اين کتاب سعي دارد به زبان ساده مدل دقيق افت و خيز خلاء و جهش همه هستي را در آغاز زمان، يعني مدل "جهان چونان يک تابع موجي" را تشريح کند. کتاب او به سرعت فروش ميليوني پيدا ميکند و در اندک زماني درصدر پرفروشترين کتاب عمومي علمي جهان مينشيند. اين کتاب پرخوانندهترين کتابي است که تاکنون درباره کيهانشناسي نوشته شده است. گرچه عدهاي، بيماري و وضعيت استثنائي هاوکينگ را در اقبال عمومي به اين کتاب بيتاثير ندانستهاند، اما عمومي کردن دانش و پرداختن به مسائل معنا و هدف که دغدغه همه مردمان است قطعا نقش عمدهتري داشته است. او بدين دغدغه پرداخته است که از کجا آمدهايم و به کجا ميرويم.
چند سال بعد، در سال 2001 او کتاب "جهان در پوست گردو" را نوشت و در آن به تبيين بيشتر نظريهها در مورد سياهچالهها و چگونگي دستيابي به نظريه واحد در تبيين و تفسير جهان پرداخت. او شوخ طبعانه در مصاحبه با لاري لينگ گفت: بر سياهچالهها نور تاباندهام! با وجود سعي او در سادهنويسي کتاب قبلي، برخي بر او خرده گرفته بودند که کتاب، واجد مطالب دشوار و سنگين فهم است. او مدعي است در کتاب دوم مطالب را سادهتر نوشته و با ارائه تصاوير بسيار در صفحات کتاب، خشکي و سنگيني و يکنواختي کتاب قبلي را از آن ستانده است. خودش ميگويد: اميدوارم در طي اين سالها آموخته باشم که چنان بنويسم که به سادگي فهميده شود. وقتي از او پرسيدند که پس از اين کار چه خواهي کرد، پاسخ داد: شايد روزي زندگينامه خود را بنويسم اما عجلهاي براي اين کار ندارم،کارهاي علمي زيادي دارم که نخست بايد آنها را انجام دهم.
نظريات هاوکينگ در طول زمان با تغييراتي همراه بوده است. او که زماني بشدت رهايي و خروج هر گونه نور و انرژي از سياهچالهها را رد ميکرد بعدها تغيير عقيده داد. زماني بسيار، همچون انشتين، معتقد و درصد دست يابي به "نظريه واحد" در يکپارچگي نيروهاي بنيادين جهان و تفسير و تبيين سرنوشت هستي بود و زمان رسيدن به آن را بسيار نزديک اعلام ميکرد، اما اخيرا از آن دست شسته و به گونهاي زمينه کاوش در جهان هستي را براي آيندگان نيز قائل شده است. ذهن او همواره در جستجوست. خود او ميگويد: من کودکي هستم که هرگز بزرگ نشدم، چون همواره ميپرسم چگونه و چرا؟ من ميخواهم پاسخها را بدانم. من از زندگي لذت ميبرم. تا آنجا که بتوانم راهم را دنبال خواهم کرد. آيا کار ديگري ميشود کرد؟
آغاز زمان، آغاز جهان
عموم فيزيکدانان امروزه پذيرفتهاند که جهان را آغازي بوده است. سخن گفتن اما از آغاز جهان و آغاز زمان بسيار دشوار و نامانوس است زيرا به گفته هاوکينگ: نقطه واقعي آفرينش از دامنه قوانين فيزيک که تا کنون بشر به آن دست يافته بيرون است. آلن گوث گيتي شناس، لحظه آفرينش را توضيح ناپذير ميداند. لدرمان ميگويد: تنها خدا ميداند که در آن اولين لحظات چه گذشت؟ برخي پا را فراتر ميگذارند و ميخواهند بدانند اگر آغازي براي جهان متصور است، خداوند پيش از آفرينش جهان چه ميکرد؟ آگوستين قديس در پاسخ آنان به طنز ميگفت: دوزخ را براي فضولان و مطرح کنندگان چنين سئوالاتي آماده ميکرد!
آگوستين در گذشته بر اين باور بود که زمان يک خاصيت هستي است که خدا آفريده و پيش از خلق عالم وجود نداشته است، يعني مفهوم زمان، پيش از پيدايش جهان بيمعني است. البته اين سخن در فلسفه صدرايي و نظريه حرکت جوهري او قطعي و مسلم است. نسبت عام انشتين نيز بر اين راه رفته است. استيون هاوکينگ و راجر پنروز نشان دادهاند که نسبيت عام متضمن آغازي ناگزير براي جهان و پاياني احتمالي براي آن است. در نسبت عام، زمان و مکان ناوابسته به جهان يا به يکديگر وجود ندارد. آنها با اندازهگيري درون جهان مثل شمار لرزشهاي بلور کوارتز درون يک ساعت يا درازاي يک خط کش تعريف ميشوند. وقتي زمان درون جهان تعريف ميشود بايد آغاز يا پايان داشته باشد. پس اين پرسش که پيش از آغاز يا پس از پايان جهان چه رخ ميدهد معنايي ندارد زيرا اين زمانها تعريف نشدهاند.
فيلسوفاني مانند کانت به دنبال يافتن دليل انتظار نامحدود پيش از آفرينش بودند. کانت اين امر را "ناهمسازي خرد ناب" ميناميد زيرا به نظر او يک تناقض منطقي بود و راهحلي نداشت. او در سال 1781 در کتاب ماندگار "سنجش خرد ناب" بدين پرسش ميپردازد که آيا جهان هستي نقطه آغازي در زمان داشته و آيا در مکان محدود بوده است؟ به زعم او برهانهاي مربوط به وجود آغاز براي جهان و برابرنهاد آن يعني ازلي بودن عالم به طور يکسان متقاعد کنندهاند. بنابراين او نتيجه گرفت که امتداد زمان تا بي پايان در گذشته بايد ادامه يابد.
نظريه انفجار بزرگ
هاوکينگ با اذعان به اين که فهم آغاز جهان بر پايه دانش، فراتر از توان ماست براين باور است که حداقل بايد در اين راه تلاش کرد. سرچشمه جهان ظاهرا فراتر از قلمرو دانش قرار ميگيرد. رياضي دانان به نقطهاي در جهان که در آن هر نظريهاي درميماند و در هم ميشکند تکينگي ميگويند. در دهه 1970 سعي هاوکينگ و راجر پنروز بر آن بود که با ابداع تکنيکهاي رياضي جديد ثابت کنند که بايد در آغاز جهان تکينگي اتفاق افتاده باشد. آنان ثابت کردند که اگر نسبيت عام درست باشد و جهان داراي آن امتداد ماده که ما مشاهده ميکنيم باشد، بايد تکينگي انفجار بزرگ در گذشته اتفاق افتاده باشد. با وجود مخالفتها، امروزه اين نظريه قبول عام يافته و تقريبا همه پذيرفتهاند که جهان با يک تکينگي انفجار بزرگ آغاز شده است. البته نظريه کلاسيک نسبيت عام از بيان چگونگي ماجرا ناتوان است زيرا پيش بيني ميکند که همه نظريههاي فيزيکي از جمله خود اين نظريه، در آغاز جهان و در هر تکينگي، توانايي خود را از دست ميدهند.
هاوکينگ در اينجا براي درک چگونگي آغاز جهان معتقد است به هر دو نظريه پارهاي، يعني نسبيت عام و مکانيک کوانتم، بايد توسل جست و از طريق تئوري گرانش کوانتمي آن را توضيح داد.
با ترکيب نسبيت عام و مکانيک کوانتم، فضا و زمان با هم تشکيل فضاي چهاربعدي متناهي ميدهد که فاقد تکينگي يا کرانه است. اين نظريه، يکنواختي در مقياس بزرگ و انحرافات از حالت همگن در مقياس کوچکتر را که به تشکيل کهکشانها و ستارگان و انسان انجاميده توضيح ميدهد.
براساس نظريه نسبت عام، چگالي جهان در گذشته بايد بينهايت بوده باشد. جرج گاموف در سال 1946 مدل انفجار بزرگ را براي آغاز جهان ارائه داد و گفت: همه جهان فيزيکي پرماده و انرژي و چهار بعد آن، از يک حالت بينهايت چگال، داغ و فشرده دچار انفجار گرديد. گرچه افرادي مانند ادينگتون با اين نظريه مخالفت کردند اما مشاهده ميکرو موجهاي زمينه کهکشاني در سال 1965 بر اين نظريه صحه گذارد و معلوم شد که عمر جهان در حدود 15 ميليارد سال است.
تاريکي آسمان شب نيز نشان از آن دارد که جهان نميتواند از ازل در همين حالتي که امروز ميبينيم بوده باشد. اگر ستارگان براي زماني نامحدود در حال تابش ميبودند جهان داغ ميشد و دماي آن به دماي ستارگان ميرسيد. حتي شبها نيز همه آسمان همچون خورشيد ميدرخشيد زيرا هر خط ديدياب ستارهاي به ابري از غبار ميرسيد.
در هم پيچيده شدن نظريههاي علمي در تکينگي آغاز زمان و انفجار بزرگ بدين معناست که رويدادهايي که پيش از آن لحظه رخ دادهاند تاثيري در آنچه هم اکنون روي ميدهد ندارند و وجود آنها را ميتوان ناديده گرفت زيرا هيچ پيامدي در مشاهدات ما ندارند، پس نميتواند بخشي از مدل علمي جهان را تشکيل دهند. از اين رو بايد آنها را از مدل خارج کرد و پذيرفت که جهان و زمان با انفجار بزرگ آغاز شده است.
در انفجار بزرگ، چگالي جهان بينهايت و اندازه آن صفر و بنابراين دماي آن بينهايت زياد بوده است. گسترش آن باعث کاهش دماي تابش شده است. در زمان پلانک، يعني 43-10 ثانيه اول بعد از انفجار بزرگ، ماده و پاد ماده در تعادل هستند. در 10- 10 ثانيه کوارکها شکل ميگيرند که بنيان پروتونها و نوترونها را تشکيل ميدهند. يک صدم ثانيه پس از انفجار، دماي جهان به 100 ميليارد درجه ميرسد در حالي که فوتونها، الکترونها، نوترينونها و پاد ذرههايشان شکل گرفتهاند. در مدتي بسيار کمتر از يک ثانيه، به گفته گوث، شعاع جهان 30 1 برابر شد و جهان گسترش تورمي يافت.
يک ثانيه پس از انفجار دما به حدود 10 ميليارد درجه يعني هزار برابر حرارت مرکز خورشيد، سقوط ميکند. ۱۰۰ ثانيه پس از انفجار دما به يک ميليون درجه ميرسد که دماي درون داغترين ستاره است. در اين دما، پروتونها و نوترونهاي شکل گرفته ديگر انرژي کافي براي گريز از کشش نيروي هستهاي قوي را ندارند و شروع به پيوستن به يکديگر و توليد هستههاي اتم دوتريم (هيدروژن سنگين) ميکنند که يک پروتون و يک نوترون دارد. هستههاي دوتريم با پروتونها و نوترون هاي بيشتري مي آميزند و هسته هاي هليوم را پديد مي آورند که دو پروتون و دو نوترون دارد و برخي عناصر سنگينتر مثل ليتيم و برليوم را توليد ميکند. تابش فوتونهاي نخستين مراحل داغ جهان هنوز در اطراف ما هست اما دماي اين تابش ميکروموج زمينه کيهاني تا 7/2 درجه بالاي صفر کاهش يافته است.
سه دقيقه بعد جهان سرد شد. چند ساعت پس از انفجار، توليد هليوم و ديگر عناصر متوقف شد و پس از آن براي حدود يک ميليون سال، جهان بدون رويداد قابل ذکري صرفا گسترش يافت. وقتي دما به چند هزار درجه کاهش يافت و اکثر هستهها ديگر انرژي لازم براي غلبه بر جاذبه الکترومغناطيسي ميان خود را نداشتند شروع به درآميختن و تشکيل اتم ها کردند و عناصر سنگينتري مانند کربن و اکسيژن تشکيل شد.
با گذشت زمان گاز هيدروژن و هليوم کهکشانها به ابرهاي کوچکتري تقسيم شدند که زير فشار گرانشي خودشان فرو پاشيدند. بر اثر اين انقباض و برخورد اتمهاي درونشان با يکديگر، حرارت گاز افزايش يافت و چنان داغ شد که واکنشهاي گداخت هستهاي پديد آمد. هيدروژن به هليوم بيشتري تبديل شد و گرماي ايجاد شده بر فشار افزود و از انقباض ابرها جلوگيري کرد.
اين ابرها (مانند خورشيد ما) تا مدتهاي پايداري ميتوانند هيدروژن را به هليوم تبديل کنند و انرژي را به صورت نور و گرما به گيتي بتابانند.
گسترش عالم
تا قبل از قرن بيستم، اين مسئله که جهان در حال گسترش است يا انقباض، براي هيچ کس مطرح نشده بود. عموما ميپنداشتند جهان همواره در حالتي ثابت موجود بوده است. الکساندر فريدمان فيزيکدان و رياضي دان 30 سال قبل از آن که ادوين هابل نظريه گسترش جهان را مطرح سازد، کشف او را پيشبيني کرد و گفت: به هر سوي جهان که نظر کنيم با ديگر بخشهاي آن تفاوت ندارد. پس نبايد انتظار داشته باشيم که جهان ساکن و ايستا باشد. در سال 1965 دو دانشمند با آشکارساز قوي خود دريافتند که نويزي که خارج از کهکشان به ما ميرسد در همه حال ثابت است پس جهان نيز در همه جهات ـ هر چند در مقياس کلان ـ بايد يکسان باشد. در سال 1929 ادوين هابل متوجه شد که به هر سوي جهان که نظر کنيم کهکشانهاي دور به سرعت از ما فاصله ميگيرند. به عبارت ديگر، جهان در حال گسترش به نظر ميرسد. يعني در گذشته اجزاي آن به هم نزديکتر بودند. اين تصوير نوين از جهان بود که هابل ارائه کرد و نشان داد که کهشکان ما تنها کهکشان جهان نيست. کهکشانهاي بسيارديگري نيز هست که بين آنها نواحي خالي وسيعي قرار دارد. هابل فواصل 9 کهکشان را محاسبه نمود. هابل براساس مطالعه طيف منتشره از کهکشانها دريافت که بيشتر آنها انتقال به طيف سرخ دارند و اين ميزان نيز کميتي تصادفي نيست و مستقيما با فاصله کهکشان از ما متناسب است، يعني هر چه کهکشان از ما دورتر باشد با سرعت بيشتري از ما فاصله ميگيرد. کوازارها (اخترنماها) به عنوان دورترين اجسام عالم به ما با سرعتي 95-90 درصد سرعت نور از ما دور ميشوند!
سرعت انبساط جهان بيش از نيروي گرانش است که بتواند آن را متوقف يا منقبض کند. اين مسئله درست مانند پرتاب موشک از زمين است که تنها اگر از سرعتي بحراني بيشتر باشد گرانش آن را متوقف نخواهد کرد و دچار سقوط نخواهد شد. جهان به هنگام گسترش، از ميدان گرانشي، انرژي وام ميگيرد تا ماده بيشتري بيافريند. انرژي مثبت ماده درست برابر انرژي منفي گرانش است، پس انرژي کل برابر صفر است. هنگامي که اندازه جهان دو برابر ميشود ماده و انرژي گرانشي هر دو دو برابر ميشوند و انرژي کل، صفر باقي ميماند. اين وضع شبيه بادکنکي است که پيوسته در آن بدمند. اگر روي اين بادکنک خالهايي در نظر گرفته شود، هر چه بادکنک بيشتر گسترش يابد فاصله ميان هر دو خال افزايش مييابد. هر چه خالها از هم دورتر باشند با سرعت بيشتري از هم فاصله ميگيرند. در ضمن هيچ يک از خالها را نميتوان مرکز گسترش و انبساط دانست. اين تائيديه فرض فريدمان است که از شباهت همه جاي عالم در حالت کلان سخن گفته بود.
اگر کهکشانها اينک از يکديگر دور ميشوند بدان معناست که بايد در گذشته به يکديگر نزديکتر بوده باشند. اين مبناي فکر اوليه درباره انفجار بزرگ بود.
مدلهاي گسترش جهان
1. مدل فريدمان: جهان با سرعت نسبتا کمي در حال گسترش است و جاذبه گرانشي بين کهکشانهاي مختلف باعث کندي گسترش شده و سرانجام آن را متوقف ميسازد. آنگاه کهکشانها به سوي همه شروع به حرکت ميکنند و جهان انقباض مييابد
2. جهان با چنان سرعتي گسترش مييابد که جاذبه گرانشي هرگز قادر به بازداشتن آن از گسترش نيست، هر چند اندکي از سرعت آن ميکاهد.