غادرنا ستيفن هوكينج في منتصف مارس 2018 عن عمر يناهز 76 عامًا. تم بالفعل كتابة العديد من المقالات عنه ، باستثناء عملي الأخير:
في بداية كتابة المقالات المذكورة ، صادفت المواد التالية التي كتبتها قبل عدة سنوات ، والتي تصف التراث العلمي لستيفن هوكينج. طلبت منها إحدى المجلات عندما مرض هوكينج ، واعتقد الجميع أنه سيموت - لم تكن هذه هي المرة الأولى ، وفي كل مرة كان الجميع مخطئين. أنا متأكد من أن هذه المقالة لم يتم نشرها ، لذا ها هي!
تراث ستيفن هوكينج العلمي
ستيفن هوكينج هو مثال نادر على عالم مشهور وظاهرة ثقافية. ومع ذلك ، فهو أيضًا مثال نادر على ظاهرة ثقافية ذات شهرة مستحقة. يمكن وصف مساهماته بكل بساطة: قدم هوكينج مساهمات في فهمنا للجاذبية أكثر من أي عالم فيزيائي منذ ألبرت أينشتاين.
وكلمة "الجاذبية" مهمة جدًا هنا. بالنسبة لمعظم مهنة هوكينج ، كان الفيزيائيون النظريون مهتمين بشكل عام بفيزياء الجسيمات وقوى الطبيعة الأخرى - الكهرومغناطيسية والتفاعلات النووية القوية والضعيفة. تم وصف الجاذبية "الكلاسيكية" ، التي تجاهلت تعقيدات ميكانيكا الكم ، بشكل كامل من قبل آينشتاين في نظريته النسبية العامة ، وبدت الجاذبية "الكمية" (النسخة الكمومية للنظرية النسبية العامة) معقدة للغاية. من خلال تطبيق فكره المذهل على أكثر قوى الطبيعة شهرة ، تمكن هوكينج من تحقيق العديد من النتائج التي فاجأت المجتمع بأكمله.
من دون شك ، كانت أهم نتيجة لعمل هوكينج هو فهم أن الثقوب السوداء ليست سوداء بالكامل - فهي تنبعث ، مثل الأشياء العادية. قبل هذا العمل ، أثبت نظريات مهمة حول BH والتفردات ، وبعد ذلك درس الكون ككل. في كل مرحلة من حياته المهنية ، قدم مساهمة رئيسية أو أخرى في العلوم.
الفترة الكلاسيكية
أثناء العمل على أطروحة الدكتوراه في كامبريدج في منتصف الستينيات ، أصبح هوكينج مهتمًا بقضايا أصل ومصير الكون النهائي. كانت الأداة المناسبة لفحص هذه المشكلة GR ، نظرية أينشتاين للفضاء والوقت والجاذبية. وفقًا للنسبية العامة ، فإن ما نعتبره جاذبية هو انعكاس لانحناء الزمكان. من خلال فهم كيفية انحناء المادة والطاقة ، يمكننا التنبؤ بتطور الكون. يمكن أن يقال عن هذه الفترة "الكلاسيكية" من هوكينج ، من أجل مقارنة النسبية العامة الكلاسيكية ودراساته اللاحقة في مجال نظرية المجال الكمومي والجاذبية الكمية.
في نفس الوقت تقريبًا ، أجرى روجر بنروز من أكسفورد دليلًا رائعًا: وفقًا لـ GTR ، في ظل مجموعة واسعة جدًا من الظروف ، سينهار المكان والزمان للداخل ويشكلان التفرد. إذا كانت الجاذبية هي انحناء الزمكان ، فإن التفرد هو نقطة زمنية يصبح فيها هذا الانحناء كبيرًا بشكل لا نهائي. أظهرت النظرية أن التفردات لم تكن مجرد عجائب ؛ فهي خاصية مهمة من الموارد الوراثية.
تم تطبيق نتيجة بنروز على الثقوب السوداء - وهي أقسام من الزمكان يتحول فيها مجال الجاذبية إلى قوة بحيث لا يمكن للضوء أن يهرب من هناك. داخل الثقب الأسود في المستقبل يكمن التفرد. أخذ هوكينج فكرة بنروز وقلبها رأساً على عقب ، وإرسالها إلى ماضي الكون. وأوضح أنه في ظل نفس الظروف العامة ، كان من المفترض أن ينبثق الفضاء من التفرد: الانفجار الكبير. يقول علماء الكون الحديثون (ويشوشون الجميع) حول نموذج الانفجار العظيم ، وهي نظرية ناجحة للغاية تصف تطور الكون المتوسع على مدى مليارات السنين ، وبشخصية الانفجار العظيم ، وهو فهم لا يمكننا التباهي به حتى الآن.
ثم حول هوكينج انتباهه إلى الثقوب السوداء. كانت النتيجة الأخرى المثيرة للاهتمام لحسابات بنروز هي أنه يمكن استخراج الطاقة من ثقب أسود دوار ، واستخراج الطاقة بشكل أساسي من دورانها حتى تتوقف. تمكن هوكينج من إظهار أنه على الرغم من إمكانية استخراج الطاقة ، فإن منطقة أفق الحدث المحيط بـ BH ستزداد في أي عمليات فيزيائية. كانت "نظرية المنطقة" مهمة في حد ذاتها وفي ما يتعلق بمجال مختلف تمامًا من الفيزياء: الديناميكا الحرارية التي تدرس انتقال الحرارة.
تخضع الديناميكا الحرارية لمجموعة من القوانين الشهيرة. على سبيل المثال ، يقول القانون الأول أن الطاقة محفوظة ، والثاني أن الإنتروبيا - مقياس اضطراب الكون - في نظام مغلق لا ينخفض أبدًا. من خلال العمل مع
جيمس باردين وبراندون كارتر ، اقترح هوكينج مجموعة من قوانين "ميكانيكا الثقب الأسود" تشبه الديناميكا الحرارية. كما هو الحال في الديناميكا الحرارية ، يضمن القانون الأول لميكانيكا BH الحفاظ على الطاقة. يشير القانون الثاني ، نظرية هوكينج سكوير ، إلى أن مساحة أفق الحدث لا تنخفض أبدًا. وبعبارة أخرى ، فإن منطقة أفق حدث BH تشبه إلى حد كبير إنتروبيا نظام الديناميكا الحرارية - فهي تزداد بمرور الوقت.
تبخر الثقب الأسود
كان هوكينج وزملاؤه فخورين بحق بقوانين ميكانيكا BH ، لكنهم اعتبروها مجرد تشبيه رسمي ، وليست صلة حرفية بين الجاذبية والديناميكا الحرارية. في عام 1972 ، اقترح خريج جامعة برينستون ،
جاكوب بيكنشتاين ، أن هناك المزيد. واستناداً إلى تجارب الفكر الرائعة ، اقترح أن سلوك BH لا يشبه الديناميكا الحرارية فقط ، بل هو الديناميكا الحرارية. على وجه الخصوص ، BH لديه إنتروبيا.
مثل العديد من الأفكار الجريئة ، قوبلت هذه الفكرة بمقاومة من الخبراء - وفي تلك اللحظة كان ستيفن هوكينج الخبير العالمي في BH. كان هوكينج متشككًا فيها ، ولسبب وجيه. إذا تبين أن ميكانيكا BH هي شكل من أشكال الديناميكا الحرارية ، فهذا يعني أن BH لديه درجة حرارة. والأجسام التي تنبعث منها درجات الحرارة - "إشعاع الجسم الأسود" الشهير ، الذي لعب دورًا مركزيًا في تطوير ميكانيكا الكم. لذا ، إذا كان Bekenshtein على حق ، فهذا يعني أن الثقب الأسود ليس أسود حقًا (على الرغم من أن Bekenshtein نفسه لم يذهب حتى الآن في تصريحاته).
من أجل التعامل مع هذه المشكلة بجدية ، من الضروري توسيع الانتباه إلى ما وراء حدود النسبية العامة ، لأن نظرية آينشتاين هي "كلاسيكية" بحتة - لا تتضمن أفكار ميكانيكا الكم. عرف هوكينج أن الفيزيائيين
الروسين أليكسي ستاروبينسكي وياكوف زيلدوفيتش كانوا يدرسون التأثيرات الكمومية بالقرب من الثقوب السوداء
وتنبأوا بتأثير مثل "الإشعاع الفائق". تمامًا كما أظهر بنروز أنه يمكن استخراج الطاقة من ثقب أسود دوار ، أظهر Starobinsky و Zeldovich أن الثقوب السوداء الدوارة يمكن أن تصدر إشعاعًا تلقائيًا بسبب تأثيرات ميكانيكا الكم. لم يكن هوكينج خبيرًا في تقنيات نظرية المجال الكمي ، لأنه في ذلك الوقت كان خبراء في فيزياء الجسيمات ، وليس في النسبية العامة ، يفهمون هذا المجال. لكنه درس بسرعة ، ونقض على المهمة الصعبة لفهم الجوانب الكمية من BH من أجل العثور على خطأ من Bekenstein.
وبدلاً من ذلك ، فاجأ نفسه وقلب الفيزياء النظرية رأساً على عقب. وجد أن Bekenstein كان على حق - BH لديه إنتروبيا - وأن العواقب المذهلة لهذه الفكرة كانت صحيحة أيضًا - الثقوب السوداء ليست سوداء بالكامل. واليوم نطلق على خاصية BH هذه "إنتروبيا بيكنشتاين-هوكينج" وتنبعث منها "إشعاع هوكينج" عند "درجة حرارة هوكينج" الخاصة بهم.
"على الأصابع" يمكننا أن نفهم إشعاع هوكينج على النحو التالي. تقول ميكانيكا الكم (من بين أمور أخرى) أنه لا يمكن إحضار نظام قسريًا إلى حالة كلاسيكية معينة ؛ هناك دائمًا عدم يقين داخلي فيما تراه عندما تنظر إليه. هذا صحيح حتى بالنسبة للمساحة الفارغة - إذا نظرت عن كثب بما فيه الكفاية ، فإن ما يبدو أنه مساحة فارغة سيتم ملؤه بـ "جسيمات افتراضية" تظهر وتختفي باستمرار. أظهر هوكينج أنه بالقرب من BH يمكن أن ينفصل زوج من الجسيمات الافتراضية ، وسوف يقع أحدهما في BH ، والآخر سوف يهرب كإشعاع. من المستغرب ، من وجهة نظر مراقب خارجي ، أن يكون للجسيم الذي يسقط إلى الداخل طاقة سلبية. ونتيجة لذلك ، يأخذ الإشعاع تدريجياً الكتلة من BH - ويتبخر.
كان لنتائج هوكينج تأثير واضح ومميز على فهمنا لـ BH. فبدلاً من أن تصبح نهاية كونية مسدودة تختفي فيها المادة والطاقة إلى الأبد ، تبين أنها كائنات ديناميكية تختفي تمامًا عاجلاً أم آجلاً. الأهم للفيزياء النظرية ، أثار هذا الاكتشاف سؤالًا لا يزال لدينا إجابة عليه: عندما تسقط المادة في الثقب الأسود ثم يختفي الثقب الأسود تمامًا ، أين تذهب المعلومات؟
إذا أخذت الموسوعة ورميتها في النار ، يمكنك اعتبار أن المعلومات الواردة فيها قد اختفت إلى الأبد. لكن وفقا لقوانين ميكانيكا الكم ، لم تختف في أي مكان. إذا تمكنت من التقاط جميع جزيئات الضوء والرماد الخارجة من النار ، من حيث المبدأ ، يمكنك إعادة إنشاء كل ما سقط في النار بدقة - حتى صفحات الكتاب. لكن BH ، إذا قبلت نتيجة Hawking ، كما هي ، قم بتدمير المعلومات تمامًا - على الأقل من وجهة نظر العالم الخارجي. يُطلق على هذا اللغز "مفارقة المعلومات" ، وقد كان يعذب الفيزيائيين منذ عقود.
في السنوات الأخيرة ، يقنع التقدم في فهم الجاذبية الكمية (على مستوى تجارب التفكير) عددًا متزايدًا من الناس بأن المعلومات مخزنة. في عام 1997 ، جادل هوكينج مع الفيزيائيين الأمريكيين كيب ثورن وجون بريسكيل. وقال هوكينج وتورن إن المعلومات يتم تدميرها ، وقال بريسكويل أن المعلومات مخزنة. في عام 2007 ، استسلم هوكينج واعترف بأن BHs لا تدمر المعلومات حقًا. ومع ذلك ، لم يستسلم ثورن ، ويعتقد بريسكيل نفسه أن هذا الاستنتاج سابق لأوانه. يبقى إشعاع BH وإنتروبيا محوريين في البحث عن فهم أفضل للجاذبية الكمية.
علم الكونيات الكمومي
اعتمد عمل هوكينج على إشعاع BH على مزيج من الأفكار الكمية والكلاسيكية. في نموذجه ، يتم تقييم BH من وجهة النظر الكلاسيكية ، وفقًا لقواعد النسبية العامة. في هذه الحالة ، يتم تقدير الجسيمات الافتراضية بالقرب من BH وفقًا لقواعد ميكانيكا الكم. الهدف النهائي للعديد من الفيزيائيين النظريين هو بناء نظرية حقيقية عن الجاذبية الكمية يكون فيها الزمكان نفسه جزءًا من نظام كمومي.
وإذا كان هناك مكان تلعب فيه ميكانيكا الكم والجاذبية دورًا حاسمًا ، فهذه هي بداية الكون. وهذا السؤال بالتحديد ، والذي ليس مفاجئًا ، هو الذي كرس هوكينج الجزء الأخير من حياته المهنية. وبهذا وافق على خطة عمل لمشروع فيزيائي طموح لفهم أصول الكون.
في ميكانيكا الكم ، لا يوجد للنظام موقع أو سرعة ؛ يتم وصف حالته من خلال "وظيفة الموجة" ، والتي تخبرنا باحتمالية الحصول على موقع أو سرعة معينة عند قياس النظام. في عام 1983 ، نشر هوكينج وجيمس هارتل عملًا تحت عنوان بسيط: "وظيفة الموجة للكون". اقترحوا إجراء بسيطًا ، بناءً على ذلك - من حيث المبدأ! - سيكون من الممكن حساب حالة الكون بأكمله. لا نعرف ما إذا كانت دالة موجة هارتل هوكينج هي في الواقع وصفًا صحيحًا للكون. نظرًا لعدم وجود نظرية كاملة عن الجاذبية الكمية ، فإننا لا نعرف حتى ما إذا كان مثل هذا الإجراء ذا مغزى. لكن عملهم أظهر أنه يمكننا الحديث عن بداية وجود الكون من الناحية العلمية.
توفر دراسة أصول الكون إمكانية الجمع بين الجاذبية الكمية والسمات الملحوظة للكون. يعتقد علماء الكون أن التغيرات الطفيفة في كثافة المادة منذ العصور الأولى قد نمت تدريجيًا في توزيع النجوم والمجرات التي نلاحظها اليوم. يمكن أن تتنبأ نظرية كاملة عن أصل الكون بهذه التغييرات ، وتنفيذ هذا البرنامج هو أحد المهن الرئيسية للفيزيائيين الحديثين. قدم هوكينج العديد من المساهمات في هذا البرنامج ، سواء من جانب وظيفته الموجية للكون ، وفي سياق نموذج "الكون التضخمي" الذي اقترحه آلان جوت.
إن مجرد الحديث عن أصل الكون هو عمل استفزازي. إنه يثير الأمل في أن يكون العلم قادرًا على تقديم وصف كامل ومكتفي ذاتيًا للواقع - وهذا الأمل يتجاوز نطاق العلم ويجد نفسه في مجال الفلسفة واللاهوت. كان هوكينج ، الذي لطالما أحب الاستفزازات ، لم يخجل أبدًا من مثل هذه العواقب. كان يحب أن يتذكر المؤتمر حول علم الكونيات الذي عقد في الفاتيكان ، حيث زعم أن البابا يوحنا بولس الثاني طلب من العلماء المجتمعين ألا يتعمقوا في أصل الكون ، "لأنها كانت لحظة خلق ، وبالتالي عمل يدي الله." لكن مثل هذه التحذيرات لم توقف أبدًا هوكينج ؛ عاش حياته في بحث لا هوادة فيه عن إجابات لأبسط الأسئلة العلمية.