توجيه كاملي از جهان

تصوركنيد كه شما هيچ گاه جهاني را كه در آن زندگي مي كنيم، نديده ايد. آيا مجموعه قواعد كاملي وجود دارد تا با مطالعه ي آنها، شما بتوانيد دقيقاً پي ببريد كه دنياي ما چگونه است؟ آيا مي توانيم مجموعه ي اين قواعد را در طول زندگي خود بخوانيم؟ بسياري از فيزيكدانان بر اين باورند كه براي اين كار به زمان بسيار كمتري نياز خواهيم داشت. آنها تصور مي كنند كه اين كتاب قواعد، كوچك است و تنها مجموعه اي از اصول نسبتاً‌ ساده را در برمي گيرد، شايد حتي تنها يك اصل در پشت سر همه ي چيزهايي قرار دارد كه در جهان ما اتفاق افتاده، اتفاق مي افتد و يا ممكن است در آتيه روي دهد. استيون هاوكينگ مي گويد كه اين مجموعه قوانين يا نظريه ي همه چيز، ممكن است زياد دور از دسترس ما نباشد.
باستان شناساني كه در خرابه هاي شهر قديمي اور(1)در بين النهرين حفاري مي كردند، تخته ي معرق كاري شده ي بسيار جالبي با چند قطعه ي كوچك تراشيده شده پيدا كردند. روشن است كه اين اشيا مطمئناً مربوط به بازي پيچيده اي بوده است اما ما هيچ چيز از قواعد اين بازي، نمي دانيم. ما تنها مي توانيم، از طرح اين تخته و قطعات ديگر، به اين قواعد پي ببريم.
جهان، چيزي شبيه به اين است: يك بازي باشكوه، زيبا و اسرارآميز. بدون شك، اين بازي قواعدي دارد ولي كتاب قواعد آن در دست ما نيست. اما جهان شباهت كاملي با تخته ي بازي متروكي كه در اور پيدا شده است، ندارد. بازي جهان ادامه دارد. ما و هر چيزي كه مي دانيم (و چيزهاي زيادي كه نمي دانيم)، در پيكره ي اين بازي شركت دارند. اگر نظريه ي همه چيز وجود داشته باشد،‌ ما و آنچه كه در دنيا هست، بايد از اصول آن پيروي كند، حتي زماني كه ما در پي كشف چگونگي اين اصول هستيم.
ممكن است انتظار داشته باشيم كه قواعد كامل و خلاصه نشده ي جهان، يك كتابخانه ي بزرگ را پُر كند. در چنين كتابخانه اي، قواعدي وجود خواهد داشت كه طرز پيدايش و حركت اجرام آسماني را تشريح مي كند، نشان مي دهد كه چگونه بدن انسان كار مي كند و چگونه از كار باز مي ايستد، چگونه ذرات زيراتمي با هم برهم كنش مي كنند، چگونه انسانها با يكديگر رابطه دارند، چه طور آب يخ مي بندد، چگونه درختان رشد و سگها پارس مي كنند. قواعد پيچيده اي در داخل قواعد ديگر، قواعد ديگر و... آيا ممكن است همه ي اين قواعد را، در چند اصل خلاصه كرد؟
واقعيت اين است كه علم قرنها به اين نتيجه رسيده است كه دنيا از آن پيچيدگي كه ابتدا به نظر مي رسد، ساده تر است. فكر اينكه بتوان علم را در چند ايده ي جالب و ساده خلاصه كرد، چيز جديد و بعيدي نيست.
ريچارد فاينمان (2) فيزيكدان آمريكايي و برنده ي جايزه ي نوبل، مقدمه اي درباره ي چگونگي راهي كه اين فرايند پيش مي رود، به ما ارائه مي كند. او يادآوري مي كند كه زماني ما چيزي داشتيم به نام حركت و چيز ديگري داشتيم به نام گرما و باز هم چيز ديگري داشتيم به نام صوت. او ادامه مي دهد:« اما پس از كشف قوانين حركت به وسيله ي نيوتن، به زودي معلوم شد كه بعضي از چيزهايي كه به ظاهر متفاوت به نظر مي رسيدند، درواقع وجوه يك چيزند. مثلاً پديده هاي صوتي را مي توان به عنوان حركت اتمهاي موجود در هوا كاملاً فهميد. بنابراين ديگر صوت، مبحث اضافي نسبت به حركت نبود. همچنين كشف شد كه پديده هاي گرمايي به آساني از قوانين حركت قابل درك است. بدينسان چند مبحث بزرگ فيزيك نظري در يك نظريه ي ساده تركيب شدند.» (3)

قواعدي پشت قواعد ديگر

هر ماده اي كه ما فكر كنيم در جهان وجود دارد- مردم، هوا، يخ، ستارگان، گازها، ميكروبها، اين كتاب- از اجزاي ساختاري ريزي به نام اتم، تشكيل شده است. اتمها به نوبه ي خود از موجودات كوچكتري به نام ذرات و يك فضاي خالي بزرگ، ساخته شده اند. بعضي از ذرات حتي خود از ذرات ريزتري، تشكيل شده اند.
ذرات مادي كه بيشتر از همه با آنها آشنايي داريم پروتونها و نوترونها هستند كه داخل هسته ي اتم جاي دارند و الكترونها كه دور هسته ي اتم، مي گردند. ذرات ماده (كه به دسته اي از ذرات به نام فرميونها، تعلق دارند) يك سيستم پيام رساني دارند كه بين آن ذرات رد وبدل شده، به راههاي معيني موجب ايجاد اثر و تغييراتي در آنها مي شود. گروهي از انسانها، ممكن است يك سيستم پيام رسان داشته باشند كه از چهار سرويس تشكيل شده است: تلفن، نمابر، پست و كبوترهاي نامه رسان. اما تمام انسانها از همه ي اين چهار سرويس، با يكديگر پيام رد وبدل نمي كنند و بر يكديگر تأثير نمي گذارند. اگر فكر كنيد كه سيستم پيام رساني بين فرميونها هم از چهار سرويس مشابهي كه آنها را نيروها مي ناميم تشكيل شده است، زياد در اشتباه نيستيد. ذرات ديگري وجود دارند كه اين پيامها را بين فرميونها و در بعضي مواقع حتي بين خود، رد وبدل مي كنند. اين ذرات «پيام رسان» را به طور مشخص، بوزون(4)مي نامند. پس هر ذره اي كه در دنيا وجود دارد، يا فرميون است يا بوزون.
يكي از اين چهار نيرو، گرانش است. شما مي توانيد نيروي گرانش، كه شما را روي زمين نگه مي دارد، مانند «پيامهايي» در نظر بگيريد. اين پيامها حامل نوعي بوزون به نام گراويتون (5) است كه بين اتمهاي بدن شما و ذرات اتمهاي زمين وجود دارند و به اين ذرات مي گويد كه به يكديگر، نزديكتر شوند. نيروي دوم، نيروي الكترومغناطيس، پيامهايي است كه به وسيله ي بوزونهايي كه فوتون (6) ناميده مي شوند، بين پروتونهاي درون هسته ي يك اتم و الكترونهاي نزديك به آن، يا بين الكترونها، رد وبدل مي شوند. اين پيامها موجب مي شود كه الكترونها دور هسته گردش كنند. در مقياسهاي بزرگتر از اتم فوتونها، خود را به صورت نور نشان مي دهند. سرويس سوم پيام رساني، نيروي قوي است، كه موجب مي شود هسته ي اتم يكپارچگي خود را حفظ كند. چهارمين سرويس، نيروي ضعيف است كه سبب راديواكتيويته مي شود.
فعاليتهاي اين چهار نيرو، باعث رد وبدل كردن پيام بين كليه ي فرميونهاي جهان و موجب برهم كنش بين آنها مي شود. بدون اين چهار نيرو، هر فرميون (هر ذره ي ماده)، اگر هم وجود داشت، در جدايي به سر مي برد. آنها از وجود يكديگر خبر نداشتند و نه وسيله اي براي ارتباط و تأثيرگذاري بين آنها موجود بود. ساده بگوييم: اگر چيزي به وسيله ي يكي از اين چهار نيرو روي ندهد، اتفاقي نخواهد افتاد. درك كامل چهار نيرو به ما امكان مي دهد تا اصولي را كه مبناي همه ي رويدادهاي جهان است درك كنيم. تا همين جا، ما يك كتاب فشرده ي قواعد را در دست داريم.
بسياري از كارهاي فيزيكدانان اين قرن براي آگاهي بيشتر از طرز عمل اين چهار نيروي طبيعي و ارتباط بين آنها، انجام شد. در سيستم پيام رساني ما انسانها، ممكن است به اين موضوع پي ببريم كه تلفن و نمابر، دو سرويس جداگانه نيستند بلكه هر دو سرويس، اجزاي يك سيستم واحدند كه به دو طريق متفاوت جلوه گر مي شوند. آگاهي از اين واقعيت، موجب «يگانگي» دو سيستم پيام رساني خواهد شد. به طريق مشابهي فيزيكدانان، تا اندازه اي با موفقيت، سعي كردند، نوعي يگانگي بين نيروها ايجاد كنند. آنها اميدوار بودند نظريه اي بيابند كه در غايت امر هر چهار نيرو را به وسيله ي يك «اَبَر نيرو» توجيه كند، نيرويي كه خود را به گونه هاي مختلف نشان مي دهد و نيز موجب يگانگي فرميونها و بوزونها، در يك خانواده مي شود. فيزيكدانان اين نظريه را «نظريه ي يگانگي» مي نامند.
نظريه اي كه دنيا را توجيه كند، يعني نظريه ي همه چيز بايد يك قدم پيشتر رود و به اين سؤال پاسخ دهد: دنيا در لحظه ي آغاز، قبل از اينكه زماني بگذرد چگونه بوده است؟ فيزيكدانها همين سؤال را با اين عبارت بيان مي كنند كه: «شرايط اوليه»، يا «شرايط مرزي»، در آغاز جهان چه بوده است؟ (شرايط مرزي مي تواند به معني شرايط در«هر لبه» از جهان باشد: مثلاً انتهاي جهان يا مركز يك سياهچاله). درك كامل «اَبَر نيرو»، ممكن است درك شرايط مرزي را نيز براي ما، امكانپذير سازد. از طرف ديگر، ممكن است ضروري باشد كه ما شرايط مرزي را بدانيم تا بتوانيم ابر نيرو را بفهميم. اين دو، به طور ناگشوده با يكديگر ارتباط دارند. نظريه پردازان با هدف دسترسي به نظريه ي همه چيز، از هر دو طرف مشغول كارند.

درس زبان

قبل از اينكه به اين بحث ادامه دهيم، بايد معني چند واژه را بدانيم. اولاً موقعي كه دانشمندان از واژه ي پيشگويي كردن استفاده مي كنند، اين به معناي آن نيست كه آينده را پيشگويي كنند. اين سؤال كه «آيا نظريه، سرعت نور را پيشگويي مي كند؟» به اين معنا نيست كه آيا اين نظريه به ما مي گويد كه سرعت نور، در سه شنبه آتيه، چه خواهد بود. بلكه معني سؤال اين است كه «آيا اين نظريه به ما امكان خواهد داد كه به سرعت نور، اگر نتوانيم با مشاهده آن را اندازه گيري كنيم، دست يابيم؟»
همچنين بهتر است مطمئن باشيم كه ما از واژه تئوري يا نظريه چه مي فهميم؟ يك نظريه، حقيقت مطلق، قاعده، واقعيت يا كلام آخر نيست. شما مي توانيد نظريه را، مانند يك قايق بازي در نظر بگيريد. براي اينكه بدانيد آيا قايق روي آب مي ماند يا نه، آن را روي آب مي گذاريد، آن را امتحان مي كنيد؛ زماني كه قايق غرق شد، قايق متفاوت ديگري مي سازيد.
بعضي از نظريه ها، قايقهاي خوبي هستند. مدت طولاني، روي آب مي مانند. ممكن است بدانيم كه آب از چند نقطه قايق نشت مي كند، ولي براي كليه ي اهداف عملي ما، اين قايق مفيد است. پاره اي از اين نظريه ها، آن قدر خوب به كار ما مي آيند و از بوته ي آزمايش و تست خوب بيرون مي آيند كه ما آنها را همچون حقيقت مي انگاريم. دانشمندان همواره به خاطر دارند كه جهان چه قدر پيچيده و توأم با شگفتيهاست و از اينكه نظريه ها را حقيقت بدانند بسيار پرهيز مي كنند. با وجود اينكه پاره اي از نظريه ها با آزمايشهاي بسيار موفق تأييد مي شوند، اشتباه است اگر آنها را به عنوان «حقيقت» مطلق علمي فرض كنيم. اين در حالي است كه بعضي ديگر از نظريه ها، كم نور به چشم دانشمندان ظاهر مي شوند. اينها مانند كشتيهايي هستند كه به طرز باشكوه طراحي شده اند ولي هيچ گاه در آب امتحان نشده اند.
استيون هاوكينگ، در كتاب تاريخچه ي زمان (7) درباره ي نظريه ي علمي چنين مي گويد: « نظريه ي علمي، تنها مُدلي از جهان يا بخش محدودي از آن و مجموعه اي از قواعد است كه كميتهاي موجود در مُدل را با مشاهداتي كه ما به عمل مي آوريم مربوط مي كند. نظريه، فقط در ذهن ما وجود دارد و واقعيت ديگري ندارد (هر معنايي كه اين واقعيت را داشته باشد)» ساده ترين راه براي درك اين تعريف، استفاده از چند مثال است.
هاوكينگ، پس از اينكه دستيارش يك استوانه ي مقوايي را روي ميز سمينار گذاشت، به دانشجويان خود گفت:« در اين لحظه ما شاهد دنيايي هستيم كه در مقابل ما قرار دارد». او به دانشجويان، يك مُدل جهان را نشان مي داد. البته يك «مُدل» نبايد حتماً مثل يك استوانه يا شكل ترسيم شده اي باشد كه بتوانيم آن را ببينيم و لمس كنيم. مدل مي تواند يك تصوير ذهني يا حتي يك داستان باشد. معادلات رياضي، يا اسطوره هاي آفريده شده، مي توانند مدل باشند.
به استوانه ي مقوايي برگرديم. اين استوانه چه شباهتي با جهان دارد؟ كسي كه اين مدل را پيشنهاد مي كند، اگر بخواهد نظريه ي پرورش يافته اي درباره ي آن ارائه كند، بايد توضيح دهد كه اين مُدل، به آنچه ما در اطراف خود مي بينيم، با «مشاهدات» يا با آنچه مي توانيم به وسيله ي تكنولوژي بهتر مشاهده كنيم، ارتباط دارد. ولي اگر شخصي يك استوانه ي مقوايي را روي ميز گذاشت و گفت كه اين استوانه، چگونه به دنياي واقعي مربوط مي شود، معنايش آن نيست كه هركس بايد آن را به عنوان تنها مُدل جهان بپذيرد. ما اين مُدل را مورد توجه قرار مي دهيم، بدون آنكه آن را در بست بپذيريم. اين ايده اي است كه «تنها در ذهن ما وجود دارد». امكان دارد كه استوانه مقوايي، روزي به عنوان يك مدل صحيح پذيرفته شود. از طرف ديگر نيز ممكن است بروز شواهدي به غيرقابل قبول بودن مدل بيانجامد. شايد هم ما دريافتيم كه در يك بازي شركت داريم كه نسبت به آنچه اين مدل درباره ي آن مي گويد، اندكي متفاوت است. آيا معني آن اين است كه نظريه «بد» است؟ نه، ممكن است كه نظريه ي خوبي بوده باشد و آنهايي كه به آن توجه كرده اند، آن را مورد آزمايش قرار داده، تغيير داده و يا رد كرده اند، خيلي چيزها از آن ياد گرفته باشند. ممكن است اين رفتارها موجب دقيقتر شدن نظريه شود.
پس چه چيزي موجب ايجاد يك نظريه ي خوب مي شود؟ بار ديگر به گفته ي هاوكينگ برگرديم. به نظر او، نظريه بايد «بر پايه ي يك مدل كه تنها چند جزء اختياري داشته باشد، گروه وسيعي از مشاهدات را با دقت توصيف كند و پيشگوييهاي روشن و صريحي درباره ي نتيجه ي مشاهدات آينده بنمايد.»(8)
به عنوان مثال، نظريه ي گرانش نيوتن گروه وسيعي از مشاهدات را توصيف مي كند. اين نظريه، رفتار اشيايي را كه سقوط مي كنند، از سطح زمين پرتاب مي شوند و نيز مدارهاي كرات آسماني را، پيشگويي مي كند.
يادآوري اين نكته مهم است كه يك نظريه ي خوب، نبايد لزوماً تنها از مشاهدات به وجود آيد. يك نظريه ي خوب مي تواند يك نظريه ي سركش، يك جهش تخيلي، باشد. هاوكينگ مي گويد:« توانايي انجام جهشهاي شهود فكري، واقعاً مشخصه ي يك فيزيكدان خوب است.» (9) از طرف ديگر، يك نظريه ي خوب، نبايد با مشاهدات انجام شده در تضاد باشد مگر آنكه دلايل قانع كننده اي مبني بر نمايان بودن اين تضاد، ارائه كند. تئوري اَبَر ريسمان كه يكي از نظريه هاي بسيار جالب عصر ماست، ده بُعد را پيشگويي مي كند، چيزي كه با مشاهده، كاملاً ناسازگار است. نظريه پردازان اين اختلاف را اين طور توجيه مي كنند كه بُعدهاي اضافي آن قدر پيچهاي ريز خورده اند كه ما نمي توانيم، آنها را بيابيم.
منظور هاوكينگ، از«اجزاي اختياري» چيست؟ يك نمونه ي آن اين است: قبلاً ديديم كه نيروي الكترومغناطيسي و نيروي ضعيف، دو تا از چهار نيروي طبيعت هستند. فيزيكدانان، شدت هريك از اين دو نيرو را مي دانند. نظريه ي الكترو ضعيف كه بين اين دو، يگانگي ايجاد مي كند، نمي تواند طرز محاسبه ي تفاوت شدت اين دو نيرو را ارائه دهد. تفاوت شدت، يك «جزء اختياري» است كه به وسيله ي نظريه، پيشگويي نمي شود. ما با مشاهدات آزمايشگاهي آن را تعيين مي كنيم و«به طور دستي» (10) آن را در نظريه جا مي دهيم. اين امر به عنوان يك ضعف در نظريه تلقي مي شود.
نبايد از اين موضوع نتيجه گرفت كه مشاهده ي آزمايشگاهي، به نحوي با نظريه ي خوب در تضاد است. معيار نهايي براي يك نظريه ي خوب، آن طور كه هاوكينگ در بالا به آن اشاره داشت، آن است كه به ما بگويد چه انتظاري بايد از مشاهدات آينده، داشته باشيم. بايد ما را به چالش وادارد كه آن را بيازماييم. بايد به ما بگويد كه اگر نظريه درست باشد چه مشاهده اي خواهيم كرد و چه مشاهداتي ثابت خواهد كرد كه نظريه درست نيست. به عنوان مثال، نظريه ي نسبيت عام آلبرت اينشتين پيشگويي مي كند كه پرتوهاي نور كه از ستارگان دور به ما مي رسند، زماني كه از نزديك كُراتي با جرم زياد مثل خورشيد مي گذرند، تا اندازه اي خم مي شوند. اين پيشگويي قابل آزمايش است. آزمايشها نشان داده اند كه نظريه ي اينشتين درست است.
بايد به اين موضوع اشاره كنيم كه آزمايش پاره اي از نظريه ها، از جمله نظريه ي استيون هاوكينگ، با تكنولوژي موجود غيرممكن است. ما نمي توانيم جهان را در اولين مراحل پيدايش مشاهده كنيم، تا به طور مستقيم، درست بودن «پيشنهاد بدون مرز» (فصل7) او را، تأييد كنيم. گرچه آزمايشهايي براي تأييد يا رد موضوع «سوراخ كِرمها» (فصل9) پيشنهاد شده است، هاوكينگ فكر نمي كند كه اين آزمايشها، با موفقيت روبه رو شوند. اما او به ما گفته است كه اگر تكنولوژي لازم در دسترس ما قرار گيرد، به آنچه او فكر مي كند پي خواهيم برد. او مطمئن است كه نظريه ي او با مشاهداتي كه تا به حال انجام شده، سازگاري دارد.
اكنون كه دانستيم يك نظريه ي علمي چه هست و چه نيست، آمادگي پاسخ به اين سؤال را داريم: نظريه اي كه توانايي توضيح جهان را داشته باشد چگونه خواهد بود؟

چالشهايي درباره ي نامزدان«نظريه ي همه چيز»

اين نظريه:
بايد مُدلي به ما بدهد كه بين نيروها و ذرات، يگانگي ايجاد كند.
بايد به اين سؤال پاسخ دهد كه: «شرايط مرزي» چيست، شرايطي كه در اولين لحظه، قبل از آنكه هيچ زماني بگذرد، وجود داشته است؟
بايد امكان چند انتخاب را بدهد. بايد محدودكننده باشد. به عنوان مثال، بايد دقيقاً پيشگويي كند كه چند نوع ذره وجود دارد. اگر حق انتخابهايي را باقي مي گذارد، بايد اين واقعيت را به نحوي توضيح دهد كه اين جهاني است كه ما داريم نه جهاني كه با آن اندك تفاوتي دارد.
بايد تعداد كمي اجزاي اختياري داشته باشد. قبلاً گفتيم كه منظور از اجزاي اختياري چيست. نظريه ي «سوراخ كِرم» هاوكينگ مي تواند به اين معني باشد كه ما، هيچ گاه، نظريه اي بدون اجزاي اختياري نخواهيم داشت. با اين حال، ترجيح مي دهيم كه براي پاسخها نبايد نگاه زيرچشمي بسيار مكرري به جهان واقعي، داشته باشيم. شگفت آنكه نظريه ي همه چيز، خود ممكن است يك جزء اختياري باشد. معدودي از دانشمندان انتظار اين توضيح را دارند كه چرا اصلاً بايد نظريه يا چيز ديگري وجود داشته باشد كه لازم به توصيف باشد. اما اين فكر، پاسخ اين سؤال استيون هاوكينگ را نخواهد داد كه «چرا اصلاً جهان اين زحمت را به خود مي دهد كه وجود داشته باشد.»(11)
بايد جهاني، مثل جهاني را كه مشاهده مي كنيم، پيشگويي كند يا به طرز قانع كننده اي توضيح دهد كه چرا اختلافي وجود دارد. اگر اين نظريه پيشگويي كند كه سرعت نور ده كيلومتر در ساعت است يا امكان وجود پنگوئنها و تپ اخترها را ندهد، با مشكل رو به رو خواهيم شد. يك نظريه ي همه چيز، بايد راهي بيابد تا در قياس با آنچه ما مشاهده مي كنيم، ايستادگي كند.
بايد ساده باشد و در همان حال، امكان پيچيدگيهاي عظيم را بدهد. جان آرچيبالد ويلر (12) فيزيكدان دانشگاه پرينستون (13) اين طور مي نويسد:
در پشت تمام اينها
حتماً ايده ي بسيار ساده اي وجود دارد
آن قدر زيبا
آن قدر ناگزير كه اگر-
در يك دهه، يك قرن
يا يك هزاره-
به آن دست يابيم
همه ي ما به يكديگر خواهيم گفت
چگونه مي توانست غير از اين باشد؟
چه طور ما در طول اين زمان بسيار دراز
اين قدر احمق بوده ايم؟
عميقترين نظريه ها، مثل نظريه ي گرانش نيوتن يا نظريه ي نسبيت عام اينشتين، آن طور كه ويلر آنها را تشريح مي كند، ساده هستند.
بايد معماي تركيب نظريه ي نسبيت عام اينشتين (نظريه اي كه معمولاً با آن گراني را توضيح مي دهيم) و مكانيك كوانتومي(14) (نظريه اي كه معمولاً به هنگام بحث درباره ي سه نيروي ديگر به كار مي بريم) را حل كند. استيون هاوكينگ، چالش براي حل اين مسأله را به عهده گرفته است. ما در اينجا، مي خواهيم اين مسأله را معرفي كنيم. پس از اينكه اصل عدم قطعيت (15) مكانيك كوانتومي را در اين فصل، و موضوع نظريه ي نسبيت عام اينشتين را در فصل 4 مرور كرديم، درك اين مقدمه آسانتر خواهد شد.
نظريه ي نسبيت عام اينشتين، نظريه اي درباره ي جرمهاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشانهاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح، بسيار عالي است.
مكانيك كوانتومي نظريه اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيامهايي مي داند كه بين فرميونها (ذرات ماده) ردّ وبدل مي شوند. اين نظريه، اصل نااميدكننده اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد دربرمي گيرد. بنابر اين اصل، هيچ گاه ما نمي توانيم همزمان، مكان و سرعت (تندي و جهت حركت) يك ذره را، با دقت بدانيم. با وجود اين مسأله، مكانيك كوانتومي، در توضيح اشيا، در سطح خيلي كوچك، بسيار موفق بوده است.
يك راه براي تركيب اين دو نظريه ي بزرگ قرن بيستم در يك نظريه ي واحد آن است كه گرانش را همان طور كه در مورد نيروهاي ديگر، با موفقيت به آن عمل مي كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر، بازنگري نظريه ي نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه ي عدم قطعيت است.
از طرف ديگر، اگر نيروي گرانش را مانند تبادل پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي شويم. قبلاً ديديم كه شما مي توانيد نيرويي كه شما را روي زمين نگه مي دارد، مثل تبادل گراويتونها (ذرات پيام رسان گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره ي زمين را تشكيل مي دهند، در نظر بگيريد. در اين صورت نيروي گرانشي، با روش مكانيك كوانتومي بيان مي شود. اما چون همه ي گراويتونها بين خود نيز رد وبدل مي شوند، حل اين مسأله از نظر رياضي بسيار بغرنج مي شود. بي نهايتهايي پيدا مي شوند كه خارج از مفهوم رياضي، معنايي ندارند.
نظريه هاي علم فيزيك واقعاً نمي توانند با اين بي نهايتها سروكار داشته باشند. اگر در نظريه هاي ديگر نمودار شوند، نظريه پردازان به روشي كه آن را نرماليزه كردن دوباره يا باز بهنجارش مي نامند متوسل مي شوند. ريچارد فاينمان در اين باره مي گويد «اين كلمه هر قدر زيركانه باشد، من آن را يك روش مجنونانه مي نامم» (16). فاينمان هنگامي كه روي نظريه اي كار مي كرد تا نيروي الكترومغناطيسي را توضيح دهد، مجبور شد از اين روش استفاده كند، ولي به اين كار تمايل زيادي نداشت. در اين روش از بي نهايتهاي ديگري، براي خنثي كردن بي نهايتهاي اوليه، استفاده مي شود. هرچند اين عمل مشكوك به نظر مي رسد، ولي در بسياري از موارد عملاً كاربرد خوبي دارد. نظريه هايي كه با به كارگيري اين روش به دست مي آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.
استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است، ولي در مورد گرانش موفق نبوده است. بي نهايتها در نيروي گرانش از نوعي بدتر از بي نهايتها در الكترومغناطيس هستند و نمي توان آنها را حذف كرد. اَبَر گرانش كه هاوكينگ در سخنراني لوكاشين خود به آن اشاره كرد و نظريه ي اَبَر ريسمان كه در آن اشياي بنيادي جهان به صورت نقطه، بلكه به صورت ريسمانهاي نازكي هستند، پيشرفتهاي اميدواركننده اي داشته اند، اما مسأله هنوز حل نشده است.
از طرف ديگر، اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه ي اجسام بسيار بزرگ، در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي كل است به كار گيريم، چه مي شود؟ اگر ما به آنچه نظريه ي نسبيت عام درباره ي گرانش مي گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم چه اتفاقي مي افتد؟ همان طور كه گفتيم طبق اين اصل، نمي توان با دقت، مكان و سرعت يك ذره را همزمان، اندازه گيري كرد. آيا اين بازنگري، موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ ضمن آشنايي كه در اين صفحات نسبت به كار استيون هاوكينگ، پيدا مي كنيم، متوجه خواهيم شد كه او به نتايج شگفت انگيزي رسيده است: سياهچاله ها سياه نيستند و شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد.
حالا كه ما از ضد و نقيضها صحبت كرديم، يكي ديگر هم اضافه كنيم: فضاي خالي، خالي نيست. در اين كتاب خواهيم ديد كه چگونه به اين نتيجه مي رسيم. فعلاً به دانستن اين موضوع اكتفا مي كنيم كه اصل عدم قطعيت بدان معناست كه فضا مملو از ذره و پاد ذره است. (ماده و پاد ماده كه در كتابهاي علمي تخيلي به آن اشاره مي شود، جلوه ي آشنايي از اين واقعيت است).
نظريه ي نسبيت عمومي همچنين به ما مي گويد كه وجود ماده يا انرژي سبب خميدگي يا تاب خوردن فضا- زمان مي شود. ما قبلاً به يك نمونه از خميدگي اشاره كرديم: خميدگي باريكه هاي نورِ ستارگان دور، هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ، مثل خورشيد، مي گذرند.
اين دو موضوع را به ياد داشته باشيد:
1- فضاي«خالي» از ذرات و پاد ذرات پُر شده است. جمع كل انرژي آنها مقدار عظيم، مقدار بي نهايتي از انرژي است.
2- وجود اين انرژي، باعث خميدگي فضا- زمان مي شود.
تركيب اين دو ايده ما را به اين نتيجه مي رساند كه كل جهان مي بايستي در يك توپ كوچك پيچيده شده باشد، چيزي كه روي نداده است. بدينسان، موقعي كه از نظريه هاي نسبيت عام و مكانيك كوانتومي توأماً استفاده مي شود، پيشگويي آنها اشتباه محض است. نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دو نظريه هاي فوق العاده خوب و از موفقترين چالشهاي فكري قرن بيستم اند. از اين دو نظريه به طور بسيار عالي نه تنها براي هدفهاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي استفاده مي شود. با وجود اين، اگر آنها را با هم در نظر بگيريم، نتيجه بي نهايتها و بي معني بودن است. نظريه ي همه چيز، بايد به نحوي، اين بي معني بودن را حل كند.

پيشگويي جزئيات

يكبار ديگر تصوركنيد كه شما هرگز دنياي ما را نديده ايد. با وجود اين بايد بتوانيد با استفاده از نظريه ي همه چيز، هر چيزي را در مورد آن، پيشگويي كنيد. ممكن است شما بتوانيد خورشيدها، سيارات، كهكشانها، سياهچاله ها و اختروش (17) ها را پيشگويي كنيد. ولي آيا مي توانيد برنده ي مسابقه ي اسب دواني سال آينده ي ايالت كنتاكي (18) را پيشگويي كنيد؟ پاسخ شما تا چه اندازه ممكن است از روي تشخيص درست باشد؟ نه چندان!
محاسبات لازم براي بررسي همه ي داده هاي جهان به طور مضحكي، بسيار فراتر از ظرفيت هر كامپيوتر قابل تصوري خواهد بود. هاوكينگ به اين موضوع اشاره مي كند كه گرچه ما مي توانيم معادلات حركت دو جسم را، با استفاده از نظريه ي نيوتن، محاسبه كنيم، اما نمي توانيم همين محاسبات را دقيقاً درباره ي معادلات حركت سه جسم، انجام دهيم. اين به آن علت نيست كه نظريه ي نيوتن براي سه جسم قابل استفاده نباشد، بلكه علت آن پيچيدگي رياضي معادلات است. لازم به يادآوري نيست كه در جهان واقعي، بيش از سه جسم وجود دارد!
ما درباره ي سلامتي خود نيز با وجود اينكه به شالوده ي اصول دانش پزشكي، شيمي، بيولوژي بسيار مسلط هستيم، نمي توانيم پيشگويي كنيم. در اينجا نيز مسأله آن است كه ميليارد ميليارد رويدادهاي جزئي در سيستم بدن انسان وجود دارد، حتي اگر آن سيستم تنها بدن يك نفر باشد.
با دستيابي به نظريه ي همه چيز، ما هنوز به طرز گيج كننده اي از پيشگويي تمام چيزها دور خواهيم بود. حتي اگر اصول زيربنايي ساده و به خوبي فهميده شده باشند، نحوه ي عملكرد آنها فوق العاده پيچيده است. در شعار يك آگهي تبليغاتي اين جمله ديده مي شود:« آنچه را كه در طول عمر جهان گذشته است، در يك دقيقه با مهارت ياد بگيريد.»(19)اين جمله يك «مبالغه ي ناموجه كلان» است.
با اين مطالب ما به كجا رسيده ايم؟ اينكه چه اسبي در مسابقات اسب دواني سال آينده ي كنتاكي برنده خواهد شد، با نظريه ي همه چيز قابل پيشگويي است، ولي هيچ كامپيوتري نمي تواند تمام داده ها را در خود جا دهد و معادلات رياضي آن را حل كند، تا اين پيشگويي امكان پذير باشد. آيا درست نيست؟
مشكل ديگري نيز وجود دارد. بايد بار ديگر به اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتومي بازگرديم.

آشفتگي موجودات بسيار ريز

در سطح بسيار ريز، يعني سطح كوانتومي جهان، اصل عدم قطعيت توانايي ما را براي پيشگويي رويدادها محدود مي كند.
ساكنين عجيب و گرفتار دنياي كوانتوم، فرميونها و بوزونها را در نظر بگيريد. اينها، باغ وحش عظيمي از ذرات را تشكيل مي دهند. الكترونها، پروتونها و نوترونها در ميان فرميونها وجود دارند. هر پروتون و نوترون به نوبه ي خود از سه كوارك (20) كه آنها هم فرميون هستند، تشكيل شده است. بعد ما بوزونها را داريم: فوتونها (پيام رسان نيروي الكترومغناطيسي)، گراويتون(پيام رسان نيروي جاذبه). گلوئون (21) (پيام رسان نيروي قوي) و Wها و Zها (پيام رسان نيروي ضعيف). دانستن اينكه اينها و خيلي از موجودات شبيه آنها، كجا هستند، به كجا مي روند و با چه سرعتي به آنجا مي روند، ممكن است ما را ياري دهد. آيا ما مي توانيم اين چيزها را بدانيم؟
تصويري از اتم، ‌در شكل 2-1 نشان داده شده است. اين مُدل اتم، توسط ارنست رادرفورد در اوايل اين قرن پيشنهاد شد (در آزمايشگاه كاونديش دركمبريج). در اين مدل، الكترونها در مدارهايي مانند مدارهاي سيارات دور خورشيد، در اطراف هسته ي اتم مي گردند.
ما اكنون مي دانيم كه در سطح كوانتومي، وضع به صورت ديگري است. مدارهاي الكترون را نمي توان مانند مدار سيارات، رسم كرد. بهتر است كه مدار الكترونها را به صورت پراكنده و نامشخص، مانند ابري در اطراف هسته تصور كنيم. چرا پراكنده؟
اصل عدم قطعيت، وضعيت را در سطح كوانتوم آشفته و نامشخص مي كند. اين وضع، تنها مربوط به الكترون نيست، بلكه در مورد كليه ي ذرات نيز همين طور است. بار ديگر مفهوم اين اصل را تكرار مي كنيم: كوشش ما در مشاهده ي آنچه روي مي دهد هرچه باشد، نمي توانيم، با دقت، مكان و سرعت (منظوركميت و جهت سرعت است) يك ذره را، همزمان، تعيين كنيم. هرچه سرعت را با دقت بيشتر اندازه گيري كنيم، دقت ما در مورد تعيين مكان ذره كمتر خواهد شد و بالعكس. اين موضوع مثل الاكلنگ است: هر قدر دقت يك اندازه گيري بيشتر شود، دقت دومي كمتر مي شود و هيچ كس نمي تواند چاره اي براي اين مسأله پيدا كند. اندازه گيري دقيق تنها وقتي ممكن مي شود كه به عدم قطعيت بيشتر اندازه گيري ديگر، تن در دهيم. در دنياي كوانتوم، موشكافي بيشتر، به ويراني مي انجامد.
براي توصيف مدار يك ذره بهترين راه آن است كه همه ي راههايي را كه آن ذره مي تواند حركت كند بررسي و محاسبه كنيم كه با چه احتمالي يك راه در مقابل راه ديگر است. اين عمل ما را به مبحث احتمالات، مي كشاند. در نهايت مي توانيم بگوييم يك ذره اين احتمال را دارد كه در آن مسير حركت كند يا آن احتمال را دارد كه در اين جا باشد. با تمام ابهاماتي كه در اين زمينه وجود دارد، اين احتمالات، اطلاعات مفيدي به ما مي دهد.
اين موضوع، تا اندازه اي شبيه پيشگويي نتيجه ي انتخابات است. خُبرگان نظرسنجي كه نتيجه ي انتخابات را پيشگويي مي كنند با احتمالات سروكار دارند. اگر تعداد رأي دهندگان زياد باشد، آنان با استفاده از علم آمار، برنده ي انتخابات را با تقريب اضافي و نقصاني پيشگويي مي كنند، بدون آنكه هر فرد رأي دهنده مشخص باشد. در فيزيك كوانتومي نيز فيزيكدانان تعداد زيادي از مسيرهايي را كه ممكن است ذره از آنها عبور كند مطالعه مي كنند و احتمال حركت آنها را روي اين مدارها و اينكه در اينجا يا آنجا باشند، به صورت اطلاعات واقعي و قابل استفاده به دست مي آورند.
شكل 2-1: اتم هليوم در مدل رادفورد. الكترونها مانند سياراتِ دور خورشيد، دور هسته ي اتم مي گردند. اكنون مي دانيم كه به علت اصل عدم قطعيت مكانيك كوانتومي، مدارهاي الكترونها، مسيرهاي مشخصي مثل آنچه در شكل نشان داده شده ندارند.
اشخاصي كه قبل از انتخابات با مردم درباره ي آراء آنها مصاحبه مي كنند، مي پذيرند كه اين مصاحبه ها به علت آگاهي بيشتري كه رأي دهنده، نسبت به كانديداها پيدا مي كند، نتيجه ي رأي مصاحبه كنندگان را مورد تأثير قرار مي دهد. فيزيكدانان نيز با مسأله ي مشابهي مواجه اند. جستجوي يك ترازكوانتومي در نتايجي كه آنان مي يابند، تأثير مي گذارد.
تا اين مرحله مقايسه ي انتخابات و بررسي ترازهاي كوانتومي رضايت بخش به نظر مي رسد. اما مقايسه در اينجا پايان مي يابد: در روز انتخابات هر رأي دهنده رأي معيني، به اين يا آن كانديدا، در صندوق رأي مي اندازد. ممكن است انتخابات مخفي باشد ولي رأي او مشخص است. اگر آمارگيران در سالنهاي رأي گيري دوربينهايي نصب مي كردند- و توقيف نمي شد- آنان مي توانستند ببينند كه هركس چه رأيي داده است. در فيزيك كوانتومي اين طور نيست. فيزيكدانان راههاي ماهرانه اي ابداع كرده اند تا زيركانه ذرات را مشاهده كنند، اما نتيجه ي كارشان بي ثمر مانده است. دنياي ذرات بنيادي تنها به اين علت غيرقطعي به نظر نمي آيد كه ما به اندازه ي كافي هوشيارانه عمل نكرده ايم يا امكانات لازم را براي مشاهده به كار نگرفته ايم. دنياي ذرات واقعاً مبهم و غيرقطعي است. تعجب آور نيست كه هاوكينگ، در سخنراني لوكاشين خود، از مكانيك كوانتومي به عنوان « نظريه اي درباره ي آنچه ما نمي دانيم و نمي توانيم پيشگويي كنيم»، نام مي برد.
با در نظر گرفتن اين محدوديت، فيزيكدانان، تعريف جديدي از هدف علم ارائه كرده اند، نظريه ي همه چيز مجموعه اي از قوانيني خواهد بود كه پيشگويي رويدادها را، تا حدي كه اصل عدم قطعيت معين كرده است، امكانپذير مي سازد. اين بدان معني است كه در بسياري از موارد بايد به احتمالات راضي باشيم و از نتايج مشخص، صرفنظر كنيم.
استيون هاوكينگ مسأله را اين طور جمع بندي مي كند: در پاسخ اين سؤال كه آيا همه چيز از پيش به طور جبري به وسيله ي خدا يا نظريه ي همه چيز تعيين شده است پاسخ مثبت مي دهد و مي گويد:
«ولي اين امكان هم وجود دارد كه اين طور نباشد زيرا ما هرگز نمي توانيم بدانيم كه چه چيزي، از پيش تعيين شده است. اگر نظريه از پيش تعيين كرده است كه ما بايد با چوبه دار اعدام شويم، بنابراين در آب غرق نخواهيم شد. اما قبل از اينكه سوار يك قايق كوچك در درياي طوفاني بشويم، بايد قطعاً مطمئن باشيم كه سرنوشت ما از پيش، براي اعدام با چوبه دار مقدر شده است»(22). به نظر او ايده آزادي اراده «نظريه ي تقريبي بسيار خوبي درباره ي رفتار بشر است.»(23)

آيا نظريه ي همه چيز واقعاً وجود دارد؟

اگر با انصاف باشيم، بايد اشاره كنيم كه تمام فيزيكدانان عقيده ندارند كه نظريه ي همه چيز وجود دارد، يا اگر وجود دارد، پيدا كردن اين نظريه، براي همه امكانپذير است. بعضي از آنها بر اين باورند كه علم با موشكافي آنچه مي دانيم، با اكتشافات پي در پي و باز كردن قوطيهاي تو در تو ادامه خواهد داد، ولي هيچ گاه به قوطي آخر نخواهد رسيد. بعضي ديگر، اين طور استدلال مي كنند كه رويدادها به طور كامل قابل پيشگويي نيستند و به طور تصادفي اتفاق مي افتند. بعضي معتقدند كه خدا و موجودات بشر، بسيار بيش از آنچه نظريه ي همه چيز ممكن است اجازه دهد، از آزادي بِدِه بستان در چارچوب اين خلقت، برخوردارند. آنها بر اين باورند كه اگر اجراي يك قطعه موسيقي توسط اركستر را در نظر بگيريم، با وجود اينكه همه ي نتها نوشته شده است ولي نوازنده، امكان آفرينش زيادي براي نواختن نتها دارد. امكاني كه از پيش تعيين نشده است.
در هر صورت، چه يك نظريه ي كامل براي توضيح جهان در دسترس ما باشد يا امكان اين دسترسي در آتيه وجود داشته باشد، اشخاصي بين ما هستند كه مي خواهند در اين راستا كوشش كنند. ما موجوداتي شجاع و داراي حس كنجكاوي اشباع نشدني هستيم. منصرف كردن بعضي از ما مثل استيون هاوكينگ، به خصوص كار دشواري خواهد بود. موري گلمان (24) از انستيتوي تكنولوژي كاليفرنيا (25) فيزيكدان ديگري كه اين كنكاش را هدايت مي كند، مي نويسد:
تكاپو براي درك جهان، اينكه از كجا آمده است و چگونه كار مي كند، بزرگترين و پاياترين ماجرا، در تاريخ بشر است. مشكل است تصور كنيم كه يك مشت ساكنان سياره ي كوچكي كه دوريك ستاره ي ناچيز در يك كهكشان كوچك گردش مي كند، هدفشان درك كامل همه ي جهان باشد؛ ذره ي كوچكي از خلقت به راستي بر اين باور باشد، كه توانايي درك كل آن را دارد. (26)

پي نوشت ها :

1.Ur
2.Richard Feynman
3.R.Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter
4.Boson
5.Graviton
6.Photon
7.A Brief History of Time
8.A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes
9.Professor Hawking`s Universe. BBC broadcast,1983
10.By hand
11.A Brief History of Time
12.John Archibald Wheeler
13.Princeton
14.Quantum mechanics
15.Uncertainty principle
16.Feynman, QED,128
17.Quasar
18.Kentucky
19.A minute to learn, the lifetime of the universe to master
20.Quark
21.Gluon
22.Stephen Hawking:"Is Everything Determined?",1990
23."?Bryan Appleyard,"Master of the Universe: Will Stephen Hawking live to find the secret
24.Murray Gell-Mann
25.(ifornia Institute of Technology(Caltech
26.Murray Gell-Mann,lecture

منبع مقاله :
فرگوسن، كيتي(1379)، داستان زندگي و پژوهشهاي استيون هاوكينگ، رضا خزانه، ترجمه دکتر رضا خزانه، تهران: انتشارات فاطمي، چاپ ششم