بخش اول
استیون ویلیام هاوکینگ استاد کرسی لوکاشین
در 29 اوریل 1980 در سالن کنفرانس کوکرافت در کمبریج انگلستان جایی که عرصه بالیدن تامسون و راترفورد بود، دانشمندان و مقامات دانشگاه روی صندلی‌های ردیف‌شده بر کف شیب‌دار سالن که مقابل دیواری پوشیده از وایت‌برد و پرده اسلاید بود، گرد‌هم آمده بودند. این جلسه برای وضع اولین خطابه یک پروفسور جدید کرسی لوکاشین(Lucasian) ریاضی برقرار شده بود. این پروفسور استفن ویلیام هاوکینگ ریاضی‌دان و فیزیکدان 38 ساله بود.
عنوان خطابه یک سوال بود:
آیا دورنمای پایان فیزیک نظری دیده می‌شود؟
و هاوکینگ با اعلام این که پاسخ او به این سوال مثبت است، شنوندگان را شگفت‌زده کرد! او از حضار دعوت کرد تا به او بپیوندند و با گریزی شورانگیز از میان زمان و مکان جام‌مقدس علم را بیابند. یعنی نظریه‌ای که جهان و هر چه را که در آن روی می‌دهد، تبیین کند.
استفن هاوکینگ در حالی که یکی از شاگردانش خطابه او را برای جمعیت گرد آمده قرائت می‌کرد. روی صندلی‌چرخ‌دار نشسته بود. در یک قضاوت ظاهری به‌نظر نمی‌رسید که او انتخاب مناسبی برای رهبری یک کار خطیر باشد. فیزیک نظری برای او گریز بزرگی از یک زندان بود. زندانی بسیار بدتر از آنچه در مورد آزمایشگاه‌های قدیمی کاوندیش به طعنه بیان می‌شد. از اوایل بیست سالگی او با بیماری از کار افتادگی روزافزون که از مرگ زودرس او خبر می‌داد، می‌ساخت. هاوکینگ مبتلا به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک(Amyotrophic Lateral Sclerosis) یا ALS بود و زمانی که کرسی لوکاشین رو عهده‌دار شد، دیگر توانایی راه رفتن، نوشتن، غذا خوردن، را نداشت و اگر سرش به پایین می‌افتاد نمی‌توانست آن را بلند کند. صحبت کردن او غیر مفهوم و فقط برای کسانی که وی را خوب می‌شناختند قابل درک بود. برای خطابه لوکاشین، او با زحمت فراوان متن مورد نظر خود را قبلاْ دیکته کرده بود تا شاگردش بتواند، آن را قرائت کند. اما هاوکینگ معلول نبوده و نیست. او یک ریاضی‌دان و فیزیکدان برجسته است و بسیاری او را برجسته‌ترین فیزیکدان پس از انیشتین می‌دانند. کرسی لوکاشین یک مقام آکادمیک ممتاز است که زمانی سر آیزاک نیوتن عهده‌دار آن بود.
هاوکینگ ضمن مبارزه دائمی با بیماری لاعلاجش همواره در تلاش برای دستیابی به پاسخ این سوال اصلی کیهان‌شناسی بوده است که این جهان از کجا آمده و به کجا می‌رود؟ زندگی او تلاشی مستمر و پیگیر در راه کشف حقایق این جهان است. او به دنبال نظریه «همه چیز» است. نظریه جامعی که بتواند قوانین حاکم بر جهان را در یک سری معادلات و قواعد خلاصه کند. موقعی که نظریه نسبیت عمومی انیشتین را برای توضیح برخی ویژگی‌های فیزیکی سیاهچالهها ناتوان می‌بیند، به مکانیک کوانتومی متوسل می‌شود. سعی می‌کند این دو را در هم آمیزد. فرضیه‌ای مطرح می‌کند. فرضیه‌اش را مورد سوال قرار می‌دهد. در راه کشف حقیقت به سوال‌هایی برمی‌خورد. فضای خالی، خالی نیست! سیاهچالهها سیاه نیستند! آغازها می‌توانند پایان‌ها باشند و …. حقیقت بسیار پیچیده و گریزان است. آیا هاوکینگ و دانشمندان دیگر روزی به نظریه همه چیز دست خواهند یافت؟
دانشمندان زیادی در این زمینه تلاش می‌کنند. برخی حداقل به اندازه هاوکینگ شهرت دارند. اما چیزی که زندگی هاوکینگ را متمایز می‌کند، امید است. 39 سال از از زمانی که پزشکان برای هاوکینگ عمری دو یا سه ساله در حالی که تکه‌گوشتی بیشتر نخواهد بود پیش‌بینی کرده بودند، می‌گذرد. او هنوز با بیماریی که تمام عضلات او را از کار انداخته است، مبارزه می‌کند و کماکان به حیات پربار خود ادامه می‌دهد. پیام او به دیگران همواره این بوده است که به بیماری‌اش نیندیشند.
بخش دوم
قواعدی پشت قواعد دیگر
هر ماده‌ای که بیندیشیم در جهان وجود دارد(مردم، هوا، یخ، ستارگان، گازها، میکروب‌ها، صفحه مانیتور شما) از اجزاء ساختاری بسیار ریزی به‌نام اتم تشکیل شده اند. می‌دانیم که اتم‌ها بنوبه خودشان از موجودات کوچکتری به نام ذرات و یک فضای خالی بسیار بزرگ(در مقایسه با ابعاد این ذرات) ساخته شده‌اند. همچنین می‌دانیم که برخی از ذرات خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند.
ذرات مادی رو که همگی می‌شناسیم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الکترون‌ها که به دور هسته می‌چرخند. ذرات مادی اتم رو به‌نام کلی فرمیونها می‌شناسیم.
فرمیونها یک سیستم پیام‌رسانی دارند که بین آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌های معینی موجب ایجاد تاثیر و در نتیجه تغییراتی در آنها می‌شود. سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها را در نظر بگیرید. کبوتر نامه‌بر، پست، تلفن و فکس سرویس‌های این سیستم می‌تانند نامیده شوند. اما همه انسان‌ها از هر 4 سرویس فوق برای رد و بدل کردن پیام بین همدیگر استفاده نمی‌کنند.
در مورد ذرات مادی هم سیستم پیام‌رسانی وجود دارد که سرویس‌های چهارگانه‌ای دارد. این سرویس‌ها را نیرو می‌نامیم. ذراتی وجود دارد که این پیام‌ها را بین فرمیونها و در برخی موارد حتی بین خود رد و بدل می‌کنند. این ذرات پیام‌رسان به‌طور مشخص بوزونBoson نامیده می‌شوند.
پس هر ذره‌ای که در جهان وجود دارد یا فرمیون هست یا بوزون.
گفتیم که سرویس‌های پیام‌رسان 4گانه نیرو نامیده می‌شوند. یکی از این نیروها گرانش هست. نیروی گرانش را که ما را روی زمین نگه می‌دارد، می‌توانیم مثل پیامی در نظر بگیریم. حامل این پیام نوعی بوزون هست که گراویتون نامیده می‌شود. گراویتونها حامل پیامی بین ذرات اتم‌های بدن ما و ذرات اتم‌های زمین هستند و به ذرات مذکور می‌گویند که به‌هم نزدیک شوند.
نیروی دوم یا نیروی الکترومغناطیس پیام‌هایی هست که به‌وسیله بوزون‌هایی به‌نام فوتون بین پروتون‌های درون هسته یک اتم و الکترون‌های نزدیک به آن، یا بین الکترون‌ها رد و بدل می‌شوند. این پیام‌ها موجب می‌شوند که الکترون‌ها دور هسته گردش کنند. در مقیاس‌های بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان می‌دهند. سومین سرویس پیام‌رسان نیروی قوی است که موجب می‌شود هسته اتم یکپارچگی خود را حفظ کند و چهارمین سرویس نیروی ضعیف است که موجب رادیواکتیویته می‌شود.
فعالیت این 4 نیرو باعث رد و بدل شدن پیام بین کلیه فرمیون‌های جهان و برهمکنش بین آنها می‌شود. بدون این 4 نیرو هر فرمیون اگر هم وجود داشته باشد در جدایی به‌سر می‌برد، بدون این که بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثیر بگذارد. بزبان ساده‌تر:
اگر چیزی بوسیله این چهار نیرو روی ندهد، اتفاقی نخواهد افتاد.
درک کامل این چهار نیرو به ما امکان می‌دهد تا اصولی را که مبنای همه رویدادهای جهان هست، درک کنیم.
بسیاری از کارهای فیزیک‌دانان قرن بیستم برای آگاهی بیشتر از طرز عمل این جهار نیروی طبیعی و ارتباط بین آنها انجام شد. در سیستم پیام‌رسانی انسان‌ها، ممکن هست به این موضوع واقف بشیم که تلفن و فکس دو سرویس جداگانه نیستند. بلکه هر دو اجزای یک سیستم واحدند که به دو طریق متفاوت جلوه‌گر می‌شوند. آگاهی از این واقعیت موجب یگانگی دو سیستم پیام‌رسانی خواهد شد. به طریق مشابهی فیزیک‌دان‌ها تا حدودی با موفقیت سعی کردند نوعی یگانگی بین نیروها رو استنباط کنند. آنها امیدوار بودند نظریه‌ای بیابند که در غایت امر هر چهار نیرو را بوسیله یک ابرنیرو توجیه کند. نیرویی که خودش را به‌گونه‌های مختلف نشان می‌دهد و نیز موجب یگانگی فرمیونها و بوزونها در یک خانواده می‌شود. فیزیک‌دان‌ها این نظریه را نظریه یگانگی نام دادند. این نظریه باید دنیا را توجیه کند. یعنی نظریه همه چیز باید یک قدم پیش‌تر برود و به این سوال پاسخ بده: دنیا در لحظه آغاز قبل از این که زمانی بگذرد، چگونه بوده است؟
فیزیک‌دان‌ها همین سوال را بزبان خودشان با این عبارت بیان می‌کنند که: شرایط اولیه یا شرایط مرزی در آغاز جهان چه بوده است؟
درک کامل ابرنیرو ممکن هست که درک شرایط مرزی را هم برای ما امکان‌پذیر کند. از طرف دیگر ممکن است که ضروری باشد که ما شرایط مرزی را بدانیم تا بتوانیم ابرنیرو را بفهمیم. این دو بطور تنگاتنگی با یکدیگر ارتباط دارند و نظریه پردازان هم از هر دو طرف مشغول کار هستند تا به «نظریه همه‌چیز» ( از منشا آلمانی= Weltformel ) دست پیدا کنند.
بخش سوم
نظریه‌ها
نظریه نسبیت عام اینشتین نظریه‌ای در باره جرم‌های آسمانی بزرگ مثل ستارگان، سیارات و کهکشان‌هاست که برای توضیح گرانش در این سطوح بسیار خوب است.
مکانیک کوانتومی نظریه‌ای است که نیروهای طبیعت را مانند پیام‌هایی می‌داند که بین فرمیونها(ذرات ماده) رد و بدل می‌شوند. این نظریه اصل ناامیدکننده‌ای را نیز که اصل عدم قطعیت نام دارد در بر میگیرد. بنابر این اصل هیچ‌گاه ما نمی‌توانیم همزمان مکان و سرعت(تندی و جهت حرکت) یک ذره را با دقت بدانیم. با وجود این مسئله مکانیک کوانتومی در توضیح اشیاء، در سطوح بسیار ریز خیلی موفق بوده بوده است.
یک راه برای ترکیب این دو نظریه بزرگ قرن بیستم در یک نظریه واحد آن است که گرانش را همانطور که در مورد نیروهای دیگر با موفقیت به آن عمل می‌کنیم، مانند پیام ذرات در نظر بگیریم. یک راه دیگر بازنگری نظریه نسبیت عام اینشتین در پرتو نظریه عدم قطعیت است.
اما اگر نیروی گرانش را مانند پیام بین ذرات در نظر بگیریم، با مشکلاتی مواجه می‌شویم. قبلاْ دیدیم که شما می‌توانید نیرویی را که شما را روی زمین نگه می‌دارد، مثل تبادل گراویتونها(همان پیام‌رسان‌های گرانش) بین ذرات بدن خود و ذراتی که کره زمین را تشکیل می‌دهند، در نظر بگیرید. در اینصورت نیروی گرانشی با روش مکانیک کوانتومی بیان می‌شود. اما چون همه گراویتونها بین خود نیز رد و بدل می‌شوند، حل این مساله از نظر ریاضی بسیار بغرنج می‌شود. بی‌نهایت‌هایی حاصل می‌شوند که خارج از مفهوم ریاضی معنایی ندارند. نظریه‌های علم فیزیک واقعاْ نمی‌توانند با این بی‌نهایت‌ها سر و کار داشته باشند. آنها اگر در نظریه‌های دیگر یافت شوند، تئوریسین‌ها به روشی که آن را ری‌نرمالیزیشن یا بازبهنجارش می‌نامند، متوسل می‌شوند. ریچارد فاینمن در این باره می‌گوید: این کلمه هر چقدر زیرکانه باشد، باز من آن را یک روش دیوانه‌وار می‌نامم. خود او هنگامی که روی نظریه‌اش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کار می‌کرد، از این روش سود جست. اما او به این کار زیاد راغب نبود. در این روش از بی‌نهایت‌های دیگری برای خنثی کردن بی‌نهایت‌های نخستین، استفاده می‌شود. نفس این عمل اگر چه مشکوک است ولی نتیجه در بسیاری از موارد کاربرد خوبی دارد. نظریه‌هایی که با به‌کارگیری این روش به‌دست می‌آیند، خیلی خوب با مشاهدات همخوانی دارند.
استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نیروی الکترومغناطیسی کارساز است ولی در مورد گرانش این روش موفق نبوده. بی‌نهایت‌ها در مورد نیروی گرانش از جهتی بدتر از بی‌نهایت‌های نیروی الکترومغناطیسی هستند و حذفشان ممکن نیست. ابرگرانش که هاوکینز در خطابه لوکاشین خود بدان اشاره کرد و نظریه ابرریسمان که در ا» اشیاء بنیادی جهان، بصورت ریسمان‌های نازکی هستند، پیشرفت‌های امیدوار کننده‌ای داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.
راه دیگر
از طرف دیگر اگر ما مکانیک کوانتومی را برای مطالعه اجسام بسیار بزرگ در قلمرویی که گرانش فرمانروای بی‌چون و چرا است، بکار گیریم، چه خواهد شد؟ به‌دیگر سخن اگر ما آنچه را که نظریه نسبیت عام در باره گرانش می‌گوید، در پرتو اصل عدم قطعیت بازنگری کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟
همانطور که گفتیم طبق اصل عدم قطعیت(Uncertainty principle) نمی‌توان با دقت مکان و سرعت یک ذره را همزمان اندازه گرفت. آیا این بازنگری موجب تفاوت زیادی خواهد شد؟ در ادامه خواهیم دید که استفن‌هاوکینگ در این زمینه به چه نتایج شگرفی دست یافته است.
سیاهچالهها سیاه نیستند!
شرایط مرزی ممکن است به این نتیجه منتهی شود که مرزی وجود ندارد حالا که از ضد و نقیض‌ها گفتیم، یکی دیگر هم اضافه کنیم:
فضای خالی، خالی نیست
در ادامه خواهیم دید که چگونه می‌توان به این نتیجه رسید. فعلا همینقدر بدانیم که اصل عدم قطعیت بدان معنی است که فضا مملو از ذره و پادذره است!
نظریه نسبیت عام همچنین به ما می‌گوید که وجود ماده یا انرژی سبب خمیدگی یا تاب‌خوردن فضا-زمان می‌شود. یک نمونه خمیدگی آشنا می‌شناسیم. خمیدگی باریکه‌های نور ستارگان دور هنگامی که از نزدیکی اجسام با جرم بزرگ نظیر خورشید می‌گذرند.
این دو موضوع را به‌یاد داشته باشیم:
1- فضای «خالی» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع کل انرژی آنها مقداری عظیم یا مقداری بی‌نهایت از انرژی است.
2- وجود این انرژی باعث خمیدگی فضا-زمان می‌شود.
ترکیب این دو ایده ما را به این نتیجه می‌رساند که کل جهان می‌بایستی در یک توپ کوچک پیچیده شده باشد. چنین چیزی روی نداده است! بدین‌سان موقعی که از نظریه‌های نسبیت عام و مکانیک کوانتومی توامان استفاده می‌شود، پیشگویی آنها اشتباه محض است.