هاوکینگ و وجود سیاهچاله‌ها

سالیان متمادی کیهان‌شناسی را چیزی مانند شبه‌علم تلقی کرده بودند، و از این رو طبیعتاً تعداد زیادی شبه‌دانشمند به این حوزه جذب شده بود. ایده‌ها و نظرهای بزرگ در باب عالم، که تعدادشان هم بسیار زیاد بود، به جلب توجه مردم (و گیج کردن آن‌ها) کمک کرده بود. چنین ایده‌ها و نظرهایی دایناسورهای علم نوین بودند: عظیم، ساده‌انگار، و آماده‌ی انقراض. شمار پرسش‌های دقیقی که مطرح می‌شد اندک بود. دانشمندان واقعی علم واقعی را ترجیح می‌دادند، که این علم می‌توانست از طریق آزمایش اثبات یا ابطال شود. عامه‌ی مردم گول‌خورده و گمراه‌شده فقط انتظار داشتند نفس‌شان از هیبت آخرین خبرهای مربوط به جهان هستی بند بیاید. لازم نبود نسبت به این اخبار هیچ‌گونه اعتراض و ایرادی ابراز شود.
تا اوایل دهه‌ی 1960 تمام این شرایط رو به دگرگونی نهاده بود. یافته‌ها و کشف‌های بزرگ اوایل قرن بیستم-نسبیت و نظریه‌ی کوانتومی- نگاه ما را هم به جهان زیر اتمی و هم به جهان هستی متحول کرده بود. نسبیت به این معنا بود که فضا منحنی است و جهان هستی (عالم) مرز و حدّ دارد. اما اکنون فقط نسبیت و نظریه‌ی کوانتومی بودند که با دقت تمام به اصل قضیه و بنیاد جهان هستی، هم در مقیاس زیر اتمی و هم مقیاس کهکشانی مرتبط می‌شد. این ایده‌ها و نظرها بر آزمون و تجربه‌ی پردامنه و پیوسته‌ای که عالم و جهان هستی را تشکیل می‌داد، چه تأثیری می‌نهاد؟ پاسخ‌هایی که به این پرسش می‌دادند، و کماکان می‌دهند، لگام‌گسیخته‌تر از لگام‌گسیخته‌ترین تخیلاتی بود که در داستان‌های علمی تخیلی یافت می‌شد. چه کسی می‌توانست سیاهچاله‌ها، شکاف‌های نامرئی در عالم را در جایی که فضا و زمان صرفاً ناپدید می‌شدند، به تصور آورد؟
هاوکینگ توجه کرده بود که نسبیت در سطح مکانیک کوانتومی با فیزیک سازگار نیست، و بنابراین برای توضیح دادن و توصیف کردن سیاهچاله‌ها ناکافی است. تحقیقات وی در چارچوب این معنا، به یک نتیجه‌ی هیجان‌انگیز ختم شد. در کمال شگفتی، وجود سیاهچاله‌ها (هر چند که به این نام خوانده نشده بودند) از دیرباز، از سال 1783 پیشگویی شده بود. جان میچل (1) کشیش دهکده‌ی انگلیسی، که اتفاقاً یکی از دقیق‌ترین اندیشمندان اخترشناختی در زمانه‌ی خودش بود، این پیش‌بینی را کرده بود. (وی، علاوه بر سیاهچاله‌ها، درباره‌ی ماهیت ستارگان مزدوج نیز حدس‌هایی زده بود، و به برخی پیش‌بینی‌های بسیار آینده‌نگرانه در خصوص فواصل ستاره‌ای دست یافته بود.)
میچل اظهارنظر کرد که اگر ستاره‌ای به اندازه‌ی کافی بزرگ، و چگال باشد، هیچ نوری قادر نخواهد بود از سطح آن منتشر شود و بیرون آید، مشاهدات و رصدهای آسمانی‌اش، وی را به پرداختن این نظریه رساند که عالم حاوی تعداد چشمگیری از چنین ستارگانی است که وجود آن‌ها را می‌توان از طریق اثر گرانشی آن‌ها بر ستارگان یا سیارات مرئی مجاورشان آشکارسازی کرد.
این ایده را در سال‌های اولیه‌ی قرن بیستم کارل شوارتس‌شیلد، (2) اخترشناس آلمانی احیا کرد. وی در خلال دوره‌ی استقرارش در جبهه‌ی روسیه در جنگ جهانی اول در سال 1916، دست به کار مطالعاتی شده بود تا از معانی و مفاهیم نسبیت عام اینشتین که به تازگی انتشار یافته بود، سر درآورد. در این نظریه مطرح شده بود که پرتوهای نور بر اثر ربایش گرانشی می‌توانند خم شوند. زندگی در جبهه‌ی جنگ روسیه تقریباً مانند زندگی در سنگرهای جبهه‌ی غرب، خطرناک و عذاب‌آور بود، اما در هوای آن جا باید چیزی برانگیزاننده‌ی اندیشه و فعالیت فکری وجود می‌داشت: درست در همان زمان، دور از او و در همان خطوط جبهه، لودویگ ویتگنشتاین اتریشی داشت ایده‌هایی را در سر می‌پرورانید که بعداً فلسفه‌ی قرن بیستم را از بیخ و بن دگرگون کردند.
شوارتس‌شیلد نشان داد که وقتی ستاره‌ای تحت تأثیر نیروی گرانشی خودش ویران شود، چیزهای معینی به وجود خواهند آمد. بنابر نظریه‌ی اینشتین درباره‌ی اثر گرانش بر نور، اثر نیروی گرانشی بعد از نقطه‌ی معینی تا جایی افزایش خواهد یافت که هیچ چیزی، حتی نور، قادر نخواهد بود از میدان گرانشی آن بگریزد. این مرحله وقتی فرا خواهد رسید که ستاره ویران می‌شود و شعاعش به مقدار معینی کاهش می‌یابد، که این مقدار معین به جرم آن بستگی دارد. این شعاع عبارت است از نقطه‌ای که در آن یک ستاره‌ی ویران‌شده به سیاهچاله تبدیل می‌شود. در مورد خورشید، که شعاع فعلی آن هفتصد هزار کیلومتر است، هرگاه فشرده شود و شعاعش به سه کیلومتر کاهش یابد، به سیاهچاله تبدیل خواهد شد. شوارتس‌شیلد آن چه را که میچل فقط پیش‌گویی کرده بود، به کمک نسبیت اثبات کرد.
عجیب این که، اینشتین از پذیرفتن یافته‌های شوارتس‌شیلد امتناع ورزید؛ هر چند که این یافته‌ها بر پایه‌ی نظریه‌ی خودش استوار بودند. با همه‌ی این احوال، شعاعی بحرانی که در آن یک ستاره به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود شعاع شوارتس‌شیلد نام دارد.
یک سال بعد اینشتین بار دیگر ایده‌های کیهان‌شناختی خود را، این بار به واسطه‌ی الکساندر فریدمن (3) اخترشناس روسی که در سن‌پترزبورگ، لنین‌گراد بعدی، کار می‌کرد متناقض یافت. فریدمن، در حالی که انقلاب روسیه در پشت پنجره‌های خانه‌اش در جریان بود، پی برد که تصویر اینشتین از عالم ایستا نادرست است. اینشتین در جریان محاسبات خود یک «ثابت اخترشناختی» را فرض کرده بود که آن را λ (لامبدا) نامید. به اعتبار این ثابت در واقع ایستایی عالم مسلم فرض می‌شد. فریدمن نشان داد که برای این فرض هیچ توجیه و دلیل قانع‌کننده‌ای وجود ندارد.
فریدمن این گام متهورانه را برداشت که فرض کند عالم از یک ابر دقیق یکنواختِ ماده پر شده است. (یافته‌های جدید تأیید کرده‌اند که این فرض تهورآمیز در بسیاری از محاسبات بزرگ مقیاس یا ماکروسکوپیکی، علی‌رغم مغایرت‌هایی که دارد، اعتبار خود را حفظ می‌کند) فریدمن با کارکردن در چارچوب این مدل، و بهره‌گیری از شکلی از محاسبات اینشتین که به نحو مناسبی تغییر یافته بود، توانست نشان دهد که عالم در واقع باید در حال انبساط باشد. اینشتین یک بار دیگر از در مخالفت درآمد.
اخترشناس امریکایی، ادوین هابل (4) (همان کسی که تلسکوپ فضایی هم به نامش نام گذاری شده)، به کمک رصدهای عملی در سال 1928 فرض‌های نظری فریدمن را تأیید کرد. هابل، ناآگاه از نظریه‌های اینشتین یا فریدمن، دست به کار مطالعه‌ی انتقال به سرخ بیش از یک دوجین کهکشان مختلف شد، در حالی که از تلسکوپ یکصد اینچی در مونت ویلسون سود می‌جست. (انتقال به سرخ یا اثر هابل عبارت است از جابه‌جایی خطوط در طیف که حاکی از سرعت نسبت به ناظر است) هابل پی برد که سرعت دور شدن این کهکشان، با فاصله گرفتن از زمین بیشتر می‌شود. این مضمون نخستین گواه از یک عالم در حال انبساط به شمار می‌آمد.
گواه نظری عمده‌ی بعدی پنج سال بعد، و آن نیز از روسیه فراهم آمد. در آن موقع تصفیه‌های استالینی به اوج خود رسیده بود. این امکان وجود داشت که دانشمندی متعهد انقلاب روسیه را که در بیرون از چاردیواری خانه‌اش در جریان بود نادیده انگارد، اما حکومت وحشت استالین ماجرای دیگری بود. مردان تنومند با اورکت‌های چرمی بر در می‌نواختند و درخواست ورود می‌کردند؛ حتی اگر کسی سخت مشغول محاسبات کیهان‌شناختی بود. بعد از ژنرال‌های ارتشی و رهبران حزبی، اکنون از دانشمندان می‌خواستند که در نمایش‌های دادگاه‌های فرمایشی نقش بازی کنند.
لِولاندائو، (5) فیزیک‌دان نظری می‌دانست که در کام دردسرهای عمیقی گرفتار شده است. نه تنها اخیراً از یک سفر کاری خارج به روسیه برگشته بود، یهودی هم بود. لاندائو به این نتیجه رسید که تنها امیدش باید دستیابی به آوازه‌ای جهانی باشد که حضورش با جایگاه مشهود (و در نتیجه‌ی آن ناپدیدی و نابودی‌اش) مایه‌ی سرافکندگی و دردسر آرمانشهر شوروی شود. با شتاب دست به کار نگارش مقاله‌ای حاوی برخی ایده‌های کیهان‌شناختی هیجان‌انگیز شد که مدتی روی آن‌ها به اندیشه و تأمل پرداخته بود. این مقاله را شتابان برای دوستش، نیلز بور، فیزیک‌دان بزرگ، به کپنهاگ فرستاد. لاندائو، در نامه‌ای به پیوست این مقاله از بور درخواست پشتیبانی و عنایت کرد. اگر بور در این مقاله مطالب به‌دردبخور می‌یافت، می‌توانست با بهره‌گیری از نفوذ خود، آن را در مجله‌ی نیچر، معتبرترین نشریه‌ی علمی بین‌المللی به چاپ برساند.
مدت زمان کوتاهی بعد بور از روزنامه‌ی ارگان رسمی حزب کمونیست، ایزوستیا، تلگرامی دریافت کرد که در آن از وی خواسته شده بود بگوید آیا مقاله‌ی لاندائو مطلب به‌دردبخوری دارد یا خیر. بور اصلاً وقت نکرده بود مقاله را بخواند، اما فوراً متوجه قضیه شد. وی پیامی حاوی ستایشی مبالغه‌آمیز به مسکو فرستاد، و اطمینان داد که مقاله‌ی لاندائو در نیچر چاپ و منتشر خواهد شد. (علی‌رغم همه‌ی این ماجراها، لاندائو در سال 1938 بازداشت شد؛ اما با این عنوان که «اشتباهی» رخ داده است، او را رها کردند.)
لاندائو سال‌ها در این خصوص اندیشیده بود که ستارگان چگونه برای ایجاد گرمای عظیم خود انرژی کافی تولید می‌کنند. در مقاله‌اش که در نیچر چاپ شد، این نظریه را پرداخت که مرکز هر ستاره از یک ستاره‌ی اَبَرچِگالِ دیگر تشکیل شده که عمدتاً از ذرات بدون باری به نام نوترون ساخته شده‌اند. (چنان که ستاره‌ای چون خورشید حاوی ستاره‌ای نوترونی با جرمی حدود یک‌دهم جرم آن خواهد بود، اما فقط شعاع این ستاره‌ی نوترونی فشرده‌شده، یک کیلومتر است) گرمای فوق‌العاده زیادی که از یک ستاره به بیرون منتشر می‌شود از طریق جذب گاز به وسیله‌ی ستاره‌ی نوترونی درونی تولید می‌شود.
مقاله‌ی لاندائو با مقداری شتاب نوشته شده بود، و پیش از آن که وقت پیدا کند درباره‌ی ایده‌هایش به درستی تأمل کند، منتشر شد. رابرت اوپنهایمر، (6) فیزیک‌دان کوانتومی بی‌نظیر امریکایی، و دستیار هوشمند و تابناکش هارتلند اسنیدر، (7) که قبلاً در ایالت یوتا راننده‌ی کامیون بود، این مقاله را خواندند.
اوپنهایمر و اسنیدر کمبودها و نقطه‌ضعف‌های زیادی در مقاله‌ی لاندائو یافتند، اما به ایده‌ی بدیع و خلاق او باور آوردند. بنابر نظر اوپنهایمر و اسنیدر، وقتی یک ستاره‌ی بزرگ سوخت هسته‌ای خود را به تمامی مصرف می‌کند و می‌سوزاند، تحت ربایش گرانشی خودش از درون فرو می‌ریزد. در یک نقطه‌ی معین تا یک شعاع بحرانی منقبض می‌شود، که در این مرحله، حتی پرتوهای نور نمی‌توانند از سطح آن بگریزند. در این مرحله این ستاره از بقیه‌ی عالم مجزا می‌شود، و یک «افق رویداد یک طرفه» شکل می‌گیرد. ذرات و تابش می‌توانند به این افق رویداد وارد شوند، اما هیچ چیزی نمی‌تواند از آن بگریزد. یک تکینگی (یا نقطه‌ی تکین) تشکیل خواهد شد، که در آن جا ابعاد فضا، و بعد مرتبط و پیوندخورده با آن، یعنی زمان، به تمامی ناپدید می‌شوند. نمی‌توان هیچ راهی یافت که به ما بگوید درون این افق چه روی داده است، و اوپنهایمر حتی از اندیشیدن در این مورد امتناع ورزید.
اوپنهایمر و اسنیدر یافته‌های خود را از طریق نشریه‌ی فیزیکال ریویو، به تاریخ اول سپتامبر 1939، به اطلاع عموم رسانیدند. این رویداد، درست هم‌زمان بود با تهاجم هیتلر به لهستان که به وقوع جنگ جهانی دوم انجامید. در همان شماره‌ی فیزیکال ریویو، نیلزبور و جان ویلر، (8) فیزیک‌دان آمریکایی، مقاله‌ای درخصوص چگونگی اجرای شکافت هسته‌ای (یعنی، سازوکار ضروری برای تولید بمب اتمی) منتشر کردند. بر حسب تصادف، اوپنهایمر بعداً به سرپرستی پروژه‌ی مانهاتان برگمارده شد که نخستین بمب اتمی در قالب این پروژه تولید شد. در همان روز آغاز جنگ جهانی دوم، روش پایان بخشیدن به آن، ضمن مقاله‌ای به قلم مردی که این کار به دست او میسر شد، انتشار یافت. اما در آن موقع مقاله‌ی اوپنهایمر عمدتاً نادیده گرفته شد: در آن هنگام در جهان چنان امور مهمی در جریان بود که توجه و تأمل پیرامون عالم و جهان هستی چندان محلی از اِعراب نداشت.
ویلر بعدها سرانجام به کار روی بمب هیدروژنی پرداخت، اما وقتی طرح و برنامه‌ی چگونگی نابودی کره‌ی زمین را به پایان برد، توجه خود را به جهان هستی و عالم برگردانید. خوشبختانه کیهان‌شناسی به جای کشتارهای همگانی و دسته‌جمعی، با کل‌نگری سروکار داشت، هر چند که ویلر هنوز هم در صدد بود دست به کار ناتمامی بزند که از حوزه‌ی کاری قبلی‌اش باقی مانده بود. ویلر یک افراطی دست‌راستی، یک امریکایی سنتی در دوره‌ی بگیربگیرهای ضد کمونیستی مک‌کارتی دهه‌ی 1950 بود. از سوی دیگر، اوپنهایمر زمانی با یک کمونیست رابطه و سرو سر داشت؛ و این به آن معنی بود که او علی‌رغم ساختن بمب اتمی که موجب پیروزی امریکا در جنگ شد، البته یک جاسوس کمونیست به شمار می‌آمد. ویلر با هیچ کدام از ایده‌های کیهان‌شناختی اوپنهایمر سر موافقت نشان نداد، اما سرانجام ناگزیر شد به پذیرش این نکته تن در دهد که در ایده‌ی تکینگی فضا-زمان موجود در داخل یک افق رویداد یک طرفه‌ی او، باید چیزی وجود داشته باشد. در واقع، ویلر حتی از این هم جلوتر رفت و این افق را «شیء کاملاً ویران‌شده بر اثر گرانش» نام نهاد، و بعداً آن را «سیاهچاله» نامید. شاید به نحو اجتناب‌ناپذیری، ویلر نمی‌توانست با تمام آنچه که اوپنهایمر گفته بود موافقت کند. ویلر بر آن بود که تشریح و توصیف آن چه در یک سیاهچاله اتفاق می‌افتد، ممکن و میسر است. ممکن است ادغام نسبیت و فیزیک کوانتومی پیش آید.
اما در اوایل دهه‌ی 1960 هنوز هم خیلی‌ها نسبت به همان وجود سیاهچاله‌ها تردید داشتند. در واقع، باید عمیق‌ترین بدگمانی سیاسی ویلر وقتی تأیید شده باشد که گروهی از دانشمندان شوروی اعلام داشتند اثبات کرده‌اند تکینگی‌های فضا-زمان (سیاهچاله‌ها) نمی‌تواند وجود داشته باشند. بنابر نظر دانشمندان شوروی، چنین تکینگی‌های فضا ـ زمانی صرفاً گمانه‌زنی‌های نظری اشتباهی‌اند که فقط در صورتی ابراز می‌شوند که کسی فرض کرده باشد ستارگان فروپاشنده‌ی عظیم به نحوی متقارن در خود منفجر شده باشند. فقط به این طریقه میدان گرانشی متمرکز روی یک تک‌نقطه کانونی می‌شود، که به ایجاد تکینگی فضا-زمان خواهد انجامید. بدون این تقارن نامحتمل، هیچ‌گونه تکینگی وجود نخواهد داشت.
چنان که می‌توانیم ملاحظه کنیم، کیهان‌شناسی در اوایل دهه‌ی 1960 که هاوکینگ پای به عرصه نهاد، در وضعیتی بسیار بی‌ثبات و نامشخص بود. در واقع، سنت غالب در کمبریج هنوز هم از نظریه‌ی حالت پایایی که فرد هویل (9) ارائه داده بود، جانب‌داری می‌کرد. بنابر این نظریه، عالم آغاز نشده است، و پایان هم نخواهد پذیرفت، همواره وجود داشته است؛ چگالی میانگین کلی آن همواره ثابت (یعنی در یک حالت پایا) باقی خواهد ماند. هویل در دهه‌ی 1950 با لحنی تحقیرآمیز، آفرینش نظریه‌ی «مهبانگ big bang» را تحت عنوان «راه انداختن یک مهمانی فقط با یک کیک» به باد ریشخند می‌گرفت.
با همه‌ی این احوال نظریه‌ی حالت پایای هویل مستلزم شعبده‌بازی‌های مشابهی بود. این نظریه چگونه می‌توانست انبساط عالم را توضیح دهد، که هابل عملاً مشاهده کرده بود؟ هویل، برای حل و فصل کردن این مشکل کوچک، اظهار کرد که در واقع وجود ستارگان و کهکشان پیوسته از فضا ناشی می‌شود. اما چگونه؟ بنابر نظر هویل، این اتفاق صرفاً یکی از خواص فضاست. (و برای جبران کردن این ایجاد و خلق، ستارگان و کهکشان‌ها نیز پیوسته درون آن سیاه گسترده ناپدید می‌شوند و آن جا از بین می‌روند.)
خود هویل، تبلیغ‌گری خستگی‌ناپذیر و گاه فوق‌العاده شتاب‌زده به منظور معرفی و جاانداختن نظریه‌ی حالت پایای خود بود. در موقعیتی مناسب در انجمن سلطنتی لندن سخنرانی ایراد می‌کرد، پیش از این که برای اثبات و تأیید اظهارات خود محاسباتی انجام دهد. هاوکینگ، که هویل او را نمی‌شناخت، هویل از طریق دستیارش ارقام مقدماتی را ملاحظه کرده و در آن‌ها به ناهنجاری‌هایی پی برده بود. هاوکینگ تصمیم گرفت به سخنرانی هویل در انجمن سلطنتی که با تشویق و تحسین شورانگیزی مواجه شد، به دقت گوش فرا دهد. هویل بعد از سخنان خود از مخاطبان خواست که اگر پرسشی به نظرشان می‌رسد مطرح کنند. یک جوان عینکی نحیف، دانشجوی دوره‌ی فوق‌لیسانس، به زحمت به کمک عصا روی پای خودش ایستاد. صدها نفر افراد حاضر در جلسه، که بسیاری از دانشمندان سرشناس جزء آن‌ها بودند، برگشتند تا این نوآمده را ورانداز کنند که جسارت ورزیده بود تا از آن مرد نامدار پرسش کند. هاوکینگ گفت: «کمیّتی که شما درباره‌اش حرف می‌زنید به سمت بی نهایت میل می‌کند.»
همهمه‌ای هیجان‌زده از حاضران برخاست: اگر چنین باشد، سخنان هویل بی‌معنی بوده‌اند.
هویل با لحنی تحقیرآمیز پاسخ داد «البته این کمیّت به بی‌نهایت میل نمی‌کند.»
هاوکینگ با اصرار و لجاجت «چرا، میل می‌کند.»
«از کجا می‌دانی؟»
هاوکینگ با لحنی یکنواخت: «چون در این خصوص کار و محاسبه کرده‌ام.»
چند نفری از میان حاضران زیر لب لبخند زدند. هویل از شدت خشم برافروخته بود. این جوان نوخاسته‌ی متکبّر کیست؟
هاوکینگ ورود خود را به صحنه‌ی کیهان‌شناسی با استحکام و حدّت اعلام کرده بود. آنان که به ستارگان ویران‌شونده نگاهی نامتقارن می‌انداختند، مانند نظر فیزیک‌دانان شوروی، داشتند تصویر جدیدی را شکل می‌دادند. بنابر این نظر، این ستاره باید به نحوی بسیار ناموزون، و بسیار قدرتمند به درون خود منفجر شود، یعنی این که صرفاً «خودش را به گذشته می‌رساند» و دوباره منبسط می‌شود.
راجر پنروز، (10) ریاضی‌دان جوان بریتانیایی، این مسأله را حل کرد. وی روش‌های ریاضی خود را که به تازگی ابداع کرده بود در حوزه‌ی توپولوژی در مورد مسأله‌ی ستارگان ویران‌شونده به کار گرفت، و به نتایج خیره‌کننده‌ای دست یافت. بنابر قضیه‌ی تکینگی او، ستاره‌ی ویران‌شونده باید درست مطابق آن چه ویلر پیشگویی کرده بود، رفتار کند. این ستاره باید یک تکینگی تشکیل دهد که در آن جا زمان باز می‌ایستد و قوانین فیزیک دیگر کارساز نیستند؛ و حتی اگر به نحو ناموزونی به درون خود منفجر شود، ماده بعد از این اتفاق به گذشته‌ی خود رجعت نمی‌کند تا دوباره منبسط گردد. هر ستاره‌ی ویران‌شونده به افق رویداد خودش منفجر خواهد شد، که در آن جا به سیاهچاله بدل خواهد شد. (در مورد ستاره‌ای با ابعادی ده برابر ابعاد خورشید، وقتی این اتفاق می‌افتد که شعاعش کاهش یابد و به سی کیلومتر برسد) اما پنروز اثبات کرد که فراسوی این نقطه ستاره‌ی ویران‌شونده همچنان به فشرده شدن و کاهش شعاع ادامه می‌دهد. این عمل مطابق با تصویری انجام می‌شود که نظریه‌ی نسبیت عام تثبیت کرده بود. با شدیدتر شدن میدان گرانشی، کل نور، ماده، و فضا-زمان نیز کماکان و با شدتی فزاینده درون آن فرو کشیده می‌شود. در واقع، کوچک شدن شعاع آن با چنان شدت فزاینده‌ای ادامه خواهد یافت که سرانجام حجمش صفر و چگالش‌اش نامتناهی خواهد شد. به بیان دیگر، این ستاره از قوانین گرانش، تا حد داشتن جرم اما بدون بعد، تخطی می‌کند. به همین ترتیب، فضا-زمان و نور نباید فقط به داخل یک چاله فرو کشیده شوند؛ این‌ها به طوری نامتناهی با نقطه‌ای پیوند تنگاتنگ می‌خورند که در آن نقطه ناپدید می‌شوند.
تمام این اتفاق‌ها در افق رویداد خواهد افتاد، و بنابراین غیر قابل مشاهده و نامرئی خواهد بود. اما افق رویداد در هر حالتی منقبض یا به درون خود منفجر نمی‌شود: در نقطه‌ای که ستاره‌ی منفجرشونده به درون خود (ستاره‌ی ویران‌شونده) به سیاهچاله تبدیل می‌شود، بدون تغییر باقی خواهد ماند. (مثلاً افق رویداد برای ستاره‌ای با ابعادی ده برابر ابعاد خورشید در شعاعی معادل سی کیلومتر باقی خواهد ماند، در حالی که خود ستاره درون این شعاع، تا کوچکی و چگالی نامتناهی و منقبض و جمع شده است.)
هاوکینگ شروع به مطالعه‌ی جزئیات ایده‌ی پنروز کرد، و ضمن این مطالعات ایده‌ای بدیع و شگفت‌انگیز در ذهنش شکل گرفت. این ایده و نظر، مانند ایده‌های بزرگ دیگری از این دست، علی‌الاصول ساده بود (مگر ریاضیاتی که برای اثبات آن به کار گرفته می‌شد). هاوکینگ از خود پرسید که آیا یک سیاهچاله می‌تواند به نحوی مسیر عکس را طی کند یا خیر. وی سپس این ایده را درباره‌ی کل جهان هستی (یا عالم) به کار گرفت. چه می‌شد اگر این عالم در حال انبساط در مسیر بر عکس دیگر چیزی جز ستاره‌ی ویران‌شونده‌ی عظیمی نباشد؟ زمان به داخل سیاهچاله می‌رود و نابود می‌شود: اگر این فرآیند برعکس می‌شد، مستلزم آفرینش و ایجاد زمان بود. در مورد فضا هم وضع به همین ترتیب است. ماده بایستی از نقطه‌ای بی‌نهایت چگال، اما بدون بُعد ناشی شود؛ و این نقطه باید مهبانگ (انفجار بزرگ)، اقلاً، همان عمل آفرینش باشد.
نظریه‌ی نسبیت دو طرفه عمل می‌کرد و صادق بود. با شدید شدن میدان گرانشی، فضا-زمان، ماده و تابش فشرده و متمرکز می‌شدند. با گسترش و تضعیف میدان گرانشی، فضا-زمان باز و گشوده، و تابش و ماده پخش می‌شوند. هاوکینگ موفق شد نشان دهد که در گذشته‌ی دور یک تکینگی وجود داشته است که زمان از آن آغاز شده است؛ و اگر عالم از انبساط باز می‌ایستاد و شروع به انقباض می‌کرد، سرانجام به درون خود می‌رسید و به یک تکینگی، به اصطلاح «قرچ و قروچ بزرگ big Crunch» ختم می‌شد. در این صورت امکان دانستن این که پیش از آغاز عالم چه اتفاقی افتاده، یا پس از پایان یافتن آن چه رخ داده، وجود نداشت؛ زیرا تحت چنین شرایطی، چیزی همچون زمان وجود نداشت. فضا هم در کنار ماده وجود نمی‌داشت.
هاوکینگ منشاء عالم را توضیح داده بود. وی نشان داده بود که مهبانگ عملاً چگونه به وقوع پیوسته، و چگونه از یک سیاهچاله‌ی وارونه‌ی فراگیر به وجود آمده است. (هر چند که دانشمندان شوروی همچنان مصرانه بر این عقیده پای می‌فشردند که چیزی به عنوان سیاهچاله وجود ندارد و هویل نیز با لجاجت و سرسختی به دفاع از نظریه‌ی حالت پایای خود ادامه می‌داد) پیام نظریه‌ی شگفت هاوکینگ پس از کوتاه‌زمانی شروع به اشاعه و گسترش کرد و در بسیاری جاها پذیرش پردامنه‌ای یافت، مگر در اتحاد شوروی و محافلی که جهان هستی را کره‌ی زمین تخت می‌پنداشتند. هاوکینگ خود را در مقام ستاره‌ای در حال طلوع در صحنه‌ی کیهان‌شناسی جاانداخته بود.
اما کیهان‌شناسی کماکان یک دنیای کوچک باقی ماند، و آوازه‌ی هاوکینگ به موضوع‌هایی مرتبط با عالم محدود ماند. در جهان گسترده‌تر محیط علمی و دانشگاهی کمبریج، او صرفاً چهره‌ی خلاقی حاشیه‌ای (و یکی از بسیار آدم‌هایی از این دست) به شمار می‌آمد. با همه‌ی این‌ها افسانه‌ها، شکل می‌گرفتند و دامن می‌گسترانیدند. دانشجویان فوق‌لیسانس در ساختمان بخش ریاضیات کاربردی و فیزیک نظری DAMTP عادت کرده بودند که به چهره‌ای نحیف و عینکی با عصایش برخورد کنند که با تندی و بدون ملاحظه دست کمک و یاری هر کسی را که به سویش دراز می‌شد رد می‌کرد. غالباً چند دقیقه‌ای راست‌قامت می‌ایستاد و در برابر دیواری نفس عمیق می‌کشید تا تمام قوایش را جمع کند و از پله‌ها بالا رود. حالا از سرآمدن دو سالی که پزشکان تا هنگام مرگش مهلت تعیین کرده بودند چهار سال می‌گذشت و او هنوز زنده بود، و به نحو فزاینده‌ای ناگزیر می‌شد به چوب‌های زیر بغل متوسل شود. از این چوب‌های زیر بغل متنفر بود: نه تنها او را به عنوان معلول انگشت‌نما می‌کردند، بلکه حتی بیشتر از حد واقع هم او را خسته نشان می‌دادند.
با همه‌ی این احوال، هاوکینگ خیلی خودش را حفظ کرد، و جسمش هنوز هم تا شرایط ازکارافتادگی فاصله داشت. پسرش رابرت، در سال 1967 به دنیا آمد؛ و هاوکینگ علی‌رغم موانعی چون چوب زیربغل، ساعت‌های طولانی دشواری را به کارش اختصاص می‌داد. وی نسبت به آن چه انجام می‌داد، آکنده از اشتیاق بود. طرفه این که در این هنگام، خود را نسبت به زمان‌های پیش از بیمارش خوشبخت‌تر احساس می‌کرد، یا لااقل اصرار می‌ورزید که چنین است.
اما هیچ‌کدام از این‌ها بدون حمایت‌های همیشگی و فداکارانه‌ی همسرش، جین، دست نمی‌داد. زندگی کردن با یک «نابغه‌ی کم و بیش انسان» که افراط‌های هیجانی معمول مرتبط با این نوع افراد همواره از وجودش طغیان می‌کرد، کار آسانی نبود. بروز خشم و بدخلقی از هاوکینگ کم اتفاق نمی‌افتاد، و وی قادر نبود تمامی نیروی شخصیت خود را ظاهر کند. هر چند که وی فردی نابغه و معلول بود، پافشاری می‌کرد که او را همچون انسانی تمام و کمال و سالم بنگرند و به حساب آورند؛ و علی‌رغم تمام این مشکلات و دشواری‌ها، تحقق این خواسته‌اش هنوز ممکن و میسر بود. مراسم عروسی‌اش نزدیک بود، و به طور کامل از کارش جدا نشده بود. جین مقالاتش را از روی خط خرچنگ‌قورباغه‌اش تایپ می‌کرد، یا آن چه را که او با صدایی برایش دیکته می‌کرد که این صدا هر لحظه رو به خاموشی می‌گرایید. حالا دیگر سخن گفتنش به مویه‌ای جویده‌جویده بدل می‌شد.
هاوکینگ حالا دیگر عملیات ریاضی خود را هر چه بیشتر به طور ذهنی انجام می‌داد، و خود را آموزش می‌داد که به مهارتی فوق‌العاده و استثنایی در اندیشه و تفکر دست یابد تا از پس این محاسبات ذهنی برآید. وی به نحو فزاینده‌ای وقتی به انتقال و بیان این کار فکری خود دست می‌یازید که به شکل تکامل و تکوین‌یافته‌ای در می‌آمد. توان حافظه، تمرکز، و مهارت‌های سازماندهی ذهنی لازم او برای این کار، چشمگیر و فوق‌العاده بود. از ضرورت و نقش نیروی اراده در این میان، ذکری به میان نمی‌آوریم؛ و این‌ها فقط کار پشتیبانی و حمایتی بود. در رأس همه‌ی این‌ها، توان و بصیرت خلاق برای ایجاد تفکر بدیع و اصیل با بالاترین نظم قرار داشت؛ و وی به همین ترتیب به کار خود ادامه داد.
هاوکینگ با گسترش آوازه و شهرت خود، به گردآوری گروهی از پژوهشگران نخبه و با استعداد در بخش ریاضیات کاربردی و فیزیک نظری دانشگاه کمبریج همت گماشت، که در امر تحقیقات مداوم پیرامون سیاهچاله‌ها با وی همکاری می‌کردند. هاوکینگ در سال 1971 به این ایده رسیده که بعد از مهبانگ تعدادی «کوچک سیاهچاله» شکل گرفته است. این سیاهچاله‌ها چندان متمرکز و چگال بودند که با وجودی که بزرگ‌تر از یک فوتون، ذره‌ی بنیادی گسیلنده‌ی نور، نبودند، یک میلیارد تن ماده در آنها می‌گنجید. هاوکینگ نشان داد که این کوچک سیاهچاله‌ها یگانه‌اند؛ که این یگانگی ناشی از جرم عظیم و نیروی گرانش بسیار زیاد آن‌هاست، که باید از قوانین نسبیت پیروی کند. با همه‌ی این‌ها باید ابعادشان چندان کوچک و ریز باشد که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی کنند. به این اعتبار باید این نظر مطرح می‌شد که «در آغاز» این دو توضیح غالباً متناقض باید یکی می‌بودند. این ایده متضمن این اشاره بود که شاید، در آینده‌ای نه چندان دور، این امکان پدید آید که نظریه‌ای کلی و جهان‌شمول پرداخته شود که هم مکانیک کوانتومی و هم نسبیت را در بر گرفته و منظور کند. با همه‌ی این احوال، فعلاً چنین امکان‌های هیجان‌انگیزی کماکان دور از دسترس باقی مانده‌اند. در واقع، دقیقاً عکس این موضوع اتفاق افتاد. هر تکینگی ناشی از ویران‌شدگی گرانشی، به معنای نقض تمامی قوانین شناخته‌شده‌ی فیزیک بود. شگفتی، هراس، و شکست و تباهی! اما از آن جا که این رویداد، درون یک سیاهچاله اتفاق می‌افتاد، غیر قابل مشاهده بود؛ نوعی «سانسور کیهانی» ما را از مشاهده و دیدن چنین فاجعه‌ای غایی محافظت می‌کرد. با همه‌ی این احوال، اگر قوانین فیزیک نقض می‌شد، به معنای آن بود که پیشگویی آن چه که در آینده اتفاق خواهد افتاد محال است. در این صورت، حفره‌ی عظیمی در دل علم پدید آمده بود.
از لحاظ فلسفی، در این حالت علم با دو امکان هیجانی و متناقض مواجه شده بود که هر دو را می‌شد «پایان راه علم» نامید. کوچک‌سیاهچاله‌ها نشانه‌ی این بودند که روزی باید نظریه‌ای پرداخته شود که همه چیز را توضیح دهد. در عین حال، تعداد بیشتر سیاهچاله‌ها نشانه‌ی این بود که عالم به سادگی پذیرای توضیح علمی نیست؛ سرانجام، این عالم اصلاً نباید علمی باشد. در این مرحله علم به مرحله‌ی فلسفی نهایی رسیده بود. این تلقی به نحو خطرناکی دوام داشت و به حیات خود ادامه می‌داد؛ این امکان در پیش بود که یا تکمیل می‌شد، یا از اعتبار می‌افتاد. ختم علم در تیررس قرار داشت!
اما روند و گرایش علم در آن جهت جاری بود که ایرادها و تردیدهایی فلسفی از این دست را نادیده انگارد. هاوکینگ و سایر همکاران کیهان‌شناس‌اش، مستقل از این ورشکستگی و اضمحلال قریب‌الوقوع علم، بر تداوم پژوهش‌های خود پای فشردند. دیدن درون سیاهچاله‌ها ناممکن شده بود، که در آن جا قوانین فیزیک دیگر صادق نبود، اما حدس و گمان در خصوص آن چه در درون این قلمرو ممنوع اتفاق می‌افتاد همواره امکان پذیر بود. منشاء آن‌ها توضیح داده شده بود؛ اما مسأله در حال حاضر عبارت از توضیح تداوم وجود آن‌ها بود.
ویلر، در آن سوی اقیانوس اطلس، نه تنها سیاهچاله‌ها را نامگذاری کرده بود، بلکه به حدسی به نام «قضیه‌ی بی‌پُرزی» دست یافت؛ بنابراین قضیه، هر سیاهچاله در جایی که فقط سه پارامتر اعتبار خود را حفظ می‌کنند پس از کوتاه‌زمانی به یک حالت پایا می‌رسد. یعنی جرم، حرکت زاویه‌ای، و بار الکتریکی این سه پارامتر را تشکیل می‌دهند. وقتی چیزی وارد سیاهچاله می‌شود، فقط این سه کمیّت پایسته می‌مانند.
تا 1974 هاوکینگ و گروه تحقیقاتی او موفق به اثبات «قضیه‌ی بی‌پرزی» شده بودند (تشبیه «پُرز» به مختصات برجسته و ورآمده‌ی ابعاد، در پُرز و کرک فیزیکی چسبنده‌ی دیگر، که در حین ورود به سیاهچاله تراشیده می‌شود؛ به طوری که تنها جرم بدون پُرز و مو، دارای بار الکتریکی، و متحرک درون آن را تشکیل می‌دهد) هاوکینگ نشان داد که چگونه حدس ویلر می‌تواند در نظریه‌ی نسبیت بگنجد. قاعدتاً باید قوانین فیزیک در درون سیاهچاله نقض شود، اما در آن جا هرج و مرج کامل برقرار نبود.
هاوکینگ در خلال سال تحصیلی 1974 تا 1975 برای گذراندن یک سال در کلتک، دعوت آن دانشگاه را پذیرفت. این دانشگاه معتبرترین نهاد علمی در کرانه‌ی غربی امریکا به شمار می‌آمد؛ بزرگ‌ترین شیمیدان قرن بیستم در آن جا کار کرده بود، و اکنون گروهی از بزرگان جایزه‌ی نوبل در این دانشگاه کار می‌کردند. (در میان این افراد چهره‌های تابناک علمی چون ریچارد فاینمن، (11) فیزیکدان بانگونواز، و یوری گلمن (12) به چشم می‌خوردند؛ شخص اخیر کشف‌هایش را با نقل قول‌هایی از جمیز جویس (13) تا متون بودایی نامگذاری می‌کرد).
هاوکینگ از کالیفرنیا خوشش آمد، و این فرصت را یافت که از تلسکوپ‌های قدرتمند در مونت ویلسون استفاده کند، و به نحو موفقیت‌آمیزی همه را از بردن وی به دیسنی‌لند بازداشت؛ هر چند که پوستر بزرگی از مریلین مونرو تهیه کرد که اتاقش در کمبریج را با آن تزئین کند.
در این هنگام بیماری ALS هاوکینگ به یک «دوره‌ی وضع ثابت» وارد شده بود، اما تا رسیدن به این وضعیت، دیگر گرفتار صندلی چرخ‌دار شده بود. به همین ترتیب، صدایش نیز وضع وخیمی یافته و به صدای ناله‌ای بدل شده بود که به زحمت قابل فهم بود، به طوری که فقط همکاران و دوستان نزدیکش می‌توانستند منظور او را درک کنند.
هاوکینگ، علی‌رغم چنین معلولیت‌های خردکننده‌ای در سال 1979 برای سومین بار پدر شد. به قول یکی از دوستان صریح‌اللهجه‌اش که در هنگام معرفی وی در یک سخنرانی عمومی در چند سال بعد اظهار داشت: «با توجه به این که سن و سال کوچک‌ترین پسر او، تیموتی، کمتر از نصف مدت زمان بیماری اوست، پس معلوم است که همه‌ی اندام‌های استیون به فلج گرفتار نشده است!» حضار از شرم و خجالت به جای خود خشک شدند و نمی‌دانستند چه واکنشی به این حرف بروز دهند، اما صورت کوچک و واپیچیده‌ی هاوکینگ در صندلی چرخ‌دار به خنده‌ی مشهور او گشوده شد.

هاوکینگ در سی و دو سالگی به عضویت انجمن سلطنتی برگزیده شده بود، که یکی از جوان‌ترین اعضای این انجمن از آغاز تشکیلش تا آن هنگام به شمار می‌آمد. در پی آن سایر جوایز و افتخارات به سویش سرازیر شدند. به قول جین، همسر بردبارش، این جایزه‌ها مثل «پاشیدن شکر روی کیک بودند.» اما زندگی در کنار هاوکینگ آسان نبود: «فکر نمی‌کنم هرگز در ذهنم با نوسان‌های آونگی که در خانه‌ی ما جاری بود، آشتی و سازش برقرار کرده باشم؛ در واقع این نوسان از ژرفای یک سیاهچاله تا تمامی جایزه‌های درخشان و استثنایی را دربر می‌گرفت.»
در همین دوران بود که هاوکینگ به لحظه‌ی «یافتم! یافتم!» خود رسید، که وی را در مسیر کشف عمده‌اش قرار داد. یک شب هنگام رفتن به بستر به فکر سطح سیاهچاله‌ها افتاد. پافشاری لجوجانه‌ی هاوکینگ در این که همه‌ی کارهایش را خودش انجام دهد به این معنی بود که رفتنش به بستر، فرایندی طولانی و پرزحمت به شمار می‌آمد؛ از این رو در مسیر طی کردن این فرآیند وقت زیادی هم برای فکر کردن داشت.
هاوکینگ به اندیشه در این زمینه دست زد که در افق رویداد سیاهچاله برای پرتوهای نور چه اتفاقی می‌افتد. وی می‌دانست که پرتوهای نور گسیل‌شده از افق رویداد، یعنی سطح سیاهچاله، هرگز نمی‌توانند به یکدیگر برسند؛ زیر به حالت معلق در می‌آیند، نه قادرند بگریزند و نه می‌توانند به داخل سیاهچاله کشیده شوند. در یک جرقه‌ی ناگهانی، وی معنی این موضوع را دریافت. مساحت سطح سیاهچاله هرگز نمی‌تواند کاهش پیدا کند. به بیان دیگر، حتی اگر دو سیاهچاله درهم ادغام شوند، یکدیگر را نخواهند بلعید. برعکس، مساحت سطح کل آن‌ها فقط می‌تواند بدون تغییر بماند یا افزایش یابد، هرگز نمی‌تواند کاهش یابد، ممکن است این امر نکته‌ای پیچیده و مبهم به نظر آید؛ نکته‌ای که نه هیجان خاصی را برانگیزد و نه مهم و با معنا باشد. با همه‌ی این‌ها معنای ضمنی آن، کل تصور ما را از سیاهچاله دیگرگون کرد. هاوکینگ این را حس کرد، و هیجان و شور و شوق آن کار دشوار آماده کردن بستر به دست خودش را برایش شیرین کرد. وی شبی را به صبح رسانید، بدون آن که لحظه‌ای به خواب رود.
هاوکینگ پی برده بود که رفتار سطح سیاهچاله‌ها شباهتی مرموز با قانون دوم ترمودینامیک به بار می‌آورد؛ بنابراین قانون، آنتروپی (یا بی‌نظمی) درون یک سیستم منزوی، همواره بدون تغییر می‌ماند یا افزایش می‌یابد؛ و اگر دو سیستم از این گونه به یکدیگر بپیوندند، آنتروپی آمیزه‌ی آن‌ها بیشتر از مجموع آنتروپی پیشین هر یک از آن‌ها می‌شود. علی‌الاصول این بیان به آن معناست که اگر امور را به حال خود رها کنند، بی‌نظمی تغییر نمی‌کند و یا افزایش می‌یابد. بی‌نظمی هرگز کاهش نمی‌یابد. (هاوکینگ خودش مثال یک خانه را می‌آورد. اگر تعمیرات خانه را متوقف کنید، بی‌نظمی افزایش می‌یابد. برای برقراری نظم یا مرمت بی‌نظمی، ورود انرژی بیشتری به سیستم لازم است.)
این قانون بیان می‌کند که چرا برخی فرایندها برگشت‌ناپذیرند. اگر استکانی را به زمین بیندازید و بشکنید، تکه‌های خردشده‌ی این استکان نمی‌توانند دوباره جمع شوند و استکان را تشکیل دهند؛ اگر این استکان را به صورت سیستمی مجزا بنگریم، در آن صورت جمع شدن تکه‌های شیشه و درست شدن مجدد استکان انتروپی آن را کاهش می‌دهد. انتروپی جهتی را تعیین می‌کند که در آن جهت باید فرآیندی برگشت‌ناپذیر طی شود. از یک لحاظ، بر جهتی دلالت می‌کند که زمان باید در آن به پیش برود.
پس چرا رفتار سیاهچاله‌ها قانون دوم ترمودینامیک را منعکس می‌کند؟ آیا می‌تواند به این معنا باشد که این قانون به نحوی در مورد سیاهچاله‌ها صادق است؛ در حالی که قبلاً سیاهچاله‌ها را موجوداتی تلقی می‌کردند که چنین قوانینی دیگر در مورد آن‌ها صدق نمی‌کند؟
تا آن موقع، محاسبات مربوط به سیاهچاله‌ها براساس نظریه‌ی نسبیت انجام شده بود که در این نظریه رفتار اجسام بزرگ به حساب آورده می‌شود. اتفاق‌هایی که در سطح زیر اتمی افتاده‌اند، که با نظریه‌ی کوانتومی سازگار بوده‌اند، نادیده انگاشته شده‌اند. آثار زیر اتمی ریز، کم‌اهمیت و جزئی خواهند بود، وقتی با ابعاد عظیمی چون ستارگان ویران‌شونده و سیاهچاله‌ها سروکار داریم. هاوکینگ بعداً نشان داد که این فرض خطا بوده است. مکانیک کوانتومی سرنخی حیاتی و مهم برای دستیابی به ماهیت راستین سیاهچاله‌ها فراهم آورد.
اولاً اندکی فهم و درک مطالب راجع به مکانیک کوانتومی ضروری است. فیزیک‌دان آلمانی، ورنر هایزنبرگ، (14) یکی از بنیادی‌ترین و جالب‌ترین مفاهیم فیزیک کوانتومی را در سال 1927 در بیست و شش سالگی مطرح کرد، که البته همان موقع هم یکی از متخصصان عمده‌ی نظریه‌ی کوانتومی بود. کشف بزرگ هایزنبرگ عبارت بود از اصل عدم قطعیت، (15) که بنابر آن تعیین هم‌زمان موقعیت دقیق و تکانه‌ی (اندازه‌ی حرکت) دقیق یک ذره ناممکن است.
از نظر هایزنبرگ، تعیین هم‌زمان این کمیت‌ها به طور دقیق، حتی به طور نظری، را نمی‌توان انجام داد، زیرا تعیین همان مفاهیم موقعیت (یا موضع) دقیق و سرعت دقیق، در کار هم، در طبیعت معنایی ندارد. (این حکم در واقع در مورد تمام اشیاء در طبیعت، از ذرات زیر اتمی تا لاک‌پشت‌های عظیم و کهکشان‌ها صادق است، اما تفاوت‌ها و مغایرت‌ها فقط در سطوح اتمی و پایین‌تر اهمیت پیدا می‌کنند.)
هر گاه بکوشیم موقعیت دقیق یک الکترون را تعیین کنیم، تصویری ساده از گزاره‌ی بالا ارائه می‌شود. این ذره چندان کوچک است که فقط از طریق چیزی با طول موج بسیار کوتاه، مانند پرتوهای گاما، می‌شود آن را آشکارسازی کرد. اما وقتی این پرتوها به الکترون برخورد می‌کنند، به نحوی غیرقابل پیش‌بینی بر تکانه‌ی آن تأثیر می‌گذارند. تعیین موضع الکترون بدون تغییر دادن تکانه‌ی آن ناممکن است؛ و هر چه بکوشیم موضع آن را دقیق‌تر تعیین کنیم (با استفاده از امواج کوتاه‌تر)، تکانه‌ی آن را بیشتر تحت تأثیر قرار می‌دهیم. به همین ترتیب، هر چه کمتر در مقابل تکانه‌ی آن مانع ایجاد کنیم و کمتر در آن دخالت کنیم، موضع آن را می‌توانیم با دقت کمتری تعیین کنیم.
و اما ذرات، و نیز میدان‌ها، که می‌توان آن‌ها را متشکل از ذرات پنداشت؛ اصل عدم قطعیت هایزنبرگ وقتی درباره‌ی هوا اعمال می‌شود، نتایج چشمگیر و جالب توجهی به بار می‌آورد:
- فضا نیز یک میدان است.
اما چگونه؟ فضا، بنابر تعریف، قطعاً تهی، خلاء است.
- بنابر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، موضوع نمی‌تواند به این سادگی باشد.
چرا نمی‌تواند؟
- نشان داده‌ایم که اندازه‌گیری هم‌زمان کمیت‌های یک میدان، و آهنگ تغییرات آن، با دقت مطلق، ناممکن است. این حکم در مورد میدان‌ها، درست به همان‌گونه که برای ذرات، صادق است.
یعنی چه؟
- منظور این است که هیچ میدانی نمی‌تواند اندازه‌ی دقیقاً صفر داشته باشد. اگر چنین امری محقق می‌شد، این اندازه‌گیری دقیق هم از اندازه‌ی آن و هم از آهنگ تغییرش بود. مطابق اصل عدم قطعیت، این امر ناممکن است. با همه‌ی این‌ها اگر قرار است فضا تهی باشد، این میدان باید دقیقاً صفر باشد.
- به این ترتیب چیزی چون فضای تهی وجود ندارد؟
- دقیقاً! (شاید تقریباً دقیقاً!).
- در این صورت به جای آن چه چیزی داریم؟
- بنابر اصل عدم قطعیت هایزبنرگ، حتی در فضا همواره کم‌ترین عدم قطعیت وجود خواهد داشت.
اما این حکم به چه معناست؟
- این عدم قطعیت را می‌شود نوسان بسیار کم دامنه درست از بالای صفر تا درست زیر صفر تصور کرد؛ اما هرگز عملاً صفر نمی‌شود.
- و این اتفاق چگونه می‌افتد؟
- ناگزیریم به طریق زیر هر اتفاقی را که می‌افتد به حساب آوریم و توجیه کنیم. هیچ چیز نمی‌تواند وجود داشته باشد، اما در عوض زوج ذرات مجازی خواهیم داشت. این زوج ذرات مجازی نوسان‌های دو سوی صفر را توجیه می‌کنند.
- اما این ذرات مجازی چه هستند، و این نوسان‌ها را چگونه توجیه می‌کنند؟
زوج ذرات مجازی از یک ذره و یک پادذره تشکیل می‌شوند. یکی از آن‌ها مثبت، و دیگری منفی است. وقتی کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و با هم تماس می‌یابند، یکدیگر را نابود می‌کنند. این زوج ذرات مجازی پیوسته وجود واقعی می‌یابند و نابود می‌شوند، و تشکیل می‌شوند و یکدیگر را از بین می‌برند. همین امر نوسان‌های کم‌دامنه در بالا و پایین صفر را توجیه می‌کنند.
- پس همه‌ی این چیزها به سیاهچاله‌ها چه ربطی پیدا می‌کنند؟
- سیاهچاله‌ها در فضا وجود دارند، که به آن معناست که این فرآیند در تمامی پیرامون آن‌ها در جریان است.
هاوکینگ در خصوص اتفاقی که دقیقاً در سطح سیاهچاله، یعنی افق رویداد می‌افتد، به اندیشه و تأمل پرداخت. این فضا نیز باید حاوی زوج ذرات مجازی باشد، که به صورت گذرا وجود واقعی پیدا می‌کنند. اما پیش از آن که بتوانند خودشان را از بین ببرند، باید تحت تأثیر سیاهچاله قرار گیرند. سیاهچاله ذره‌ی منفی را می‌رباید (جذب می‌کند)، در حالی که ذره‌ی مثبت را به بیرون پرتاب می‌کند. این ذره به شکل تابش خواهد گریخت. سیاهچاله عملاً تابش گرمایی (یعنی گرما) گسیل می‌کند؛ بنابراین دارای دمایی قابل اندازه‌گیری است.
به همین ترتیب، ذره‌ای پر آنتروپی که به داخل سیاهچاله سقوط می‌کند، سبب خواهد شد که مساحت سطح سیاهچاله افزایش یابد. (همان‌گونه که ملاحظه کردیم، مساحت سطح سیاهچاله پیرو شعاع شوارتس‌شیلد است، که این شعاع هم به جرم دخیل در سیاهچاله وابسته است) افزایش مساحت سطح سیاهچاله، هر چقدر هم که کوچک باشد، نشانه‌ی افزایش انتروپی سیاهچاله است. اما اگر سیاهچاله انتروپی دارد، این امر نیز حاکی از آن است که سیاهچاله باید دمایی داشته باشد. این دما در عالم واقع باید ناچیز و تقریباً چشم‌پوشیدنی، یعنی صرفاً چند میلیونیم درجه بالای صفر مطلق باشد؛ اما قطعاً در سیاهچاله وجود دارد. هاوکینگ نشان داده بود که سیاهچاله «سیاه» نیستند. آن‌ها تابش، گرما، می‌گسیلند، گویی داغ‌اند.
معانی ضمنی این یافته کل مفاهیم سیاهچاله‌ها را دگرگون کرد. روی هم رفته این‌ها درروهای plug holes نامحدودی در عالم نیستند که پایین‌دست آن‌ها ماده، فضا-زمان، و قوانین فیزیک ناپدید شده باشند. حالا می‌شد سیاهچاله‌ها را اشیایی تلقی کرد که درون عالم وجود دارند. این اشیاء از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می‌کنند؛ و انتروپی دارند. یعنی، این‌ها حتی زمان هم دارند. دیگر نامرئی نبودند، و آن‌ها را می‌شد با قوانین فیزیک «مشاهده» کرد. اما همه‌ی قضیه این نبود. هاوکینگ، در روند تلفیق گرانش سیاهچاله‌ها و رفتار ذرات مجازی، در واقع برای نخستین بار مکانیک کوانتومی و نسبیت را با هم تلفیق کرد.
این خبر به زودی در همه جا پیچید که هاوکینگ به ایده‌هایی رسیده که «همه چیز را تغییر داده» است. در نتیجه، در فوریه‌ی 1974 از هاوکینگ دعوت شد در همایشی که در آکسفورد در خصوص موضوع سیاهچاله برگزار می‌شد، سخن بگوید. این همایش را ریاضیدانی به نام جان تیلور سازمان داده بود که خود را چیزی در حدّ یک خبره‌ی سیاهچاله می‌دانست. پس از آن که سخنرانان دیگر مقاله‌های خود را ارائه دادند، هاوکینگ با صندلی چرخ‌دار بر سکوی سخنرانی سالن قرار گرفت. وی با صدای ناله مانند خود، که به سختی قابل درک بود، شروع به صحبت کرد. حضار به سختی می‌شنیدند، نمی‌توانستند قبول کنند که واقعاً چیزی دارند می‌شنوند. اگر آن چه که هاوکینگ می‌گفت راست بود، به راستی همه چیز تغییر می‌کرد. هاوکینگ حرف‌های خود را با اعلام موضوعی حتی هیجان‌انگیزتر پایان داد. سیاهچاله زمان دارد، انتروپی دارد، و این انتروپی شبیه هر چیز دیگری افزایش می‌یابد. منظور این بود که سرانجام سیاهچاله به صورت تابش خالص تبخیر خواهد شد. به بیان دیگر، سیاهچاله در پایان راه خود «منفجر» خواهد شد.
مخاطبان در سکوتی آمیخته به بهت و حیرت از سخنان هاوکینگ استقبال کردند. آن گاه تیلور برخاست و اعلام داشت: «متأسفم، استیون، اما این حرف‌ها به کلی بی‌معناست.» وی در حالی که به سختی خشم خود را مهار کرده بود، روی برگردانده و به حالت قهر از سالن بیرون رفت.
یک ماه بعد هاوکینگ مقاله‌ای حاوی طرح کلی یافته‌هایش منتشر کرد. این مقاله در نشریه نیچر، تحت عنوان «انفجارهای سیاهچاله؟» چاپ و منتشر شد. (16) شاما، استاد راهنمای پیشین و همکار کنونی هاوکینگ، این مقاله را «یکی از زیباترین رساله‌ها در تاریخ فیزیک» توصیف کرد. این مقاله‌ی هاوکینگ هم‌ارز مقاله‌ی نسبیت عام اینشتین تلقی شده است. اهمیت آن، هر چند که بنیادی و اساسی است، کاملاً هم به قدر و اندازه‌ی مقاله‌ی اینشتین نیست؛ اما این مقاله به همان اندازه مقاله اینشتین موجب واکنش‌های ستیزه‌گرانه از جانب کسانی شد که آن را نمی‌فهمیدند یا از فهم آن امتناع می‌ورزیدند. چند ماه بعد تیلور پاسخی خشم‌آگین به این مقاله در نیچر منتشر کرد، که طی آن نسبت به ایده‌های هاوکینگ در خصوص انفجار سیاهچاله آه و ناله کرده بود. اما تا آن موقع دیگر دعوا خاتمه یافته بود. ایده‌های تیلور، مانند نظریه‌ی حالت پایای هویل، در همان موقع هم چیزی متعلق به گذشته بود. دنیای علمی فارغ از قوانین تکامل نیست. در این دنیا نیز شایسته‌ترین‌ها دوام می‌آورند و می‌مانند؛ حتی اگر این شایسته‌ترین‌ها فوراً در میان شایسته‌ترین گونه‌های طبیعت ظاهر نشوند.

پی‌نوشت‌ها:

1-John Michell (1724 –1793)
2- Karl Schwarzschild (1873 –1916)
3-Alexander Alexandrovich Friedmann (1888–1925)
4-Edwin Powell Hubble (1889 –1953)
5-Lev Davidovich Landau (1908 –1968)
6-Julius Robert Oppenheimer (1904 –1967)
7-Hartland Sweet Snyder (1913-1962)
8-John Archibald Wheeler (1911 –2008)
9- Sir Fred Hoyle (1915 –2001)
10-Sir Roger Penrose (born 1931)
11-Richard Phillips Feynman (1918 –1988)
12-Yuri Goldman
13-James Augustine Aloysius Joyce (1882 –1941)
14-Werner Karl Heisenberg (1901 –1976)
15-Uncertainty Principle
هایزنبرگ این نظریه را در مقاله‌ی زیر مطرح ساخت:
Heisenberg, W; (1927) Über den anschulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik, Zeitschrift für Physik, Volume 43, 172–198.
16-Hawking, SW (1974). "Black Hole Explosions". Nature 248 (1): 30–31.

منبع:
استراترن، پل؛ (1389) شش نظریه‌ای که جهان را تغییر داد، ترجمه‌ی دکتر محمدرضا توکلی صابری و بهرام معلمی، تهران، انتشارات مازیار، چاپ چهارم.