स्टीफन हॉकिंग की वैज्ञानिक विरासत

स्टीफन हॉकिंग ने हमें 76 साल की उम्र में मार्च 2018 के मध्य में छोड़ दिया। उनके बारे में कई लेख पहले ही लिखे जा चुके हैं, मेरे हाल के काम को छोड़कर नहीं:

• " स्टीफन हॉकिंग से भौतिकी के लिए सबसे उत्कृष्ट उपहार " मुख्य रूप से ब्लैक होल के वाष्पीकरण और सूचना विरोधाभास के बारे में है।
• " स्टीफन हॉकिंग क्या चाय पीने के बारे में कांप रहे थे " - व्यक्तिगत जीवन और मानव पक्ष के बारे में।
• " स्टीफन हॉकिंग क्या करते हैं? "

उल्लिखित लेख लिखना शुरू करने के बाद, मैं कई वर्षों पहले लिखी गई निम्नलिखित सामग्री पर आया था, जिसमें स्टीफन हॉकिंग की वैज्ञानिक विरासत का वर्णन है। एक पत्रिका ने उनसे अनुरोध किया जब हॉकिंग बीमार पड़ गए, और सभी ने सोचा कि वह मर जाएंगे - यह पहली बार नहीं था, और हर बार हर किसी को गलत किया गया था। मुझे यकीन है कि यह लेख कभी जारी नहीं किया गया था, इसलिए यहां यह है!

स्टीफन हॉकिंग की वैज्ञानिक विरासत

स्टीफन हॉकिंग एक वैज्ञानिक का एक दुर्लभ उदाहरण है जो एक सेलिब्रिटी और सांस्कृतिक घटना दोनों है। हालाँकि, वह एक सांस्कृतिक घटना का भी एक दुर्लभ उदाहरण है, जिसमें अच्छी-खासी ख्याति है। उनके योगदान को बहुत सरल रूप से वर्णित किया जा सकता है: हॉकिंग ने अल्बर्ट आइंस्टीन के बाद से किसी भी भौतिक विज्ञानी की तुलना में गुरुत्वाकर्षण की हमारी समझ में अधिक योगदान दिया।

और "गुरुत्वाकर्षण" शब्द यहाँ बहुत महत्वपूर्ण है। हॉकिंग के करियर के लिए, सैद्धांतिक भौतिकविदों को आमतौर पर कण भौतिकी और प्रकृति के अन्य बलों में दिलचस्पी थी - विद्युत चुंबकत्व और मजबूत और कमजोर परमाणु संपर्क। "शास्त्रीय" गुरुत्वाकर्षण, जिसने क्वांटम यांत्रिकी की जटिलताओं को नजरअंदाज कर दिया, को आइंस्टीन द्वारा पूरी तरह से सापेक्षता के अपने सामान्य सिद्धांत में वर्णित किया गया था, और "क्वांटम" गुरुत्वाकर्षण (सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत का क्वांटम संस्करण) बहुत जटिल लग रहा था। प्रकृति के सबसे प्रसिद्ध बल के लिए अपनी अद्भुत बुद्धि को लागू करते हुए, हॉकिंग कई परिणाम देने में सक्षम थे जिसने पूरे समुदाय को बहुत आश्चर्यचकित किया।

एक शक के बिना, हॉकिंग के काम का सबसे महत्वपूर्ण परिणाम यह समझ थी कि ब्लैक होल पूरी तरह से काले नहीं हैं - वे सामान्य वस्तुओं की तरह निकलते हैं। इस काम से पहले, उन्होंने BH और विलक्षणताओं पर महत्वपूर्ण प्रमेय सिद्ध किए, और उसके बाद उन्होंने संपूर्ण रूप से ब्रह्मांड का अध्ययन किया। अपने करियर के प्रत्येक चरण में, उन्होंने विज्ञान में एक या एक अन्य महत्वपूर्ण योगदान दिया।

क्लासिक काल

1960 के दशक के मध्य में कैम्ब्रिज में अपने डॉक्टरेट शोध प्रबंध पर काम करते हुए, हॉकिंग ब्रह्मांड की उत्पत्ति और अंतिम भाग्य के सवालों में रुचि रखते थे। इस समस्या की जांच के लिए एक उपयुक्त उपकरण जीआर, आइंस्टीन के अंतरिक्ष, समय और गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत थे। सामान्य सापेक्षता के अनुसार, जिसे हम गुरुत्वाकर्षण के रूप में देखते हैं, वह अंतरिक्ष-समय की वक्रता का प्रतिबिंब है। यह समझना कि वक्रता पदार्थ और ऊर्जा से कैसे निर्मित होती है, हम ब्रह्मांड के विकास की भविष्यवाणी कर सकते हैं। इसे शास्त्रीय सामान्य सापेक्षता के विपरीत और क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत और क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के क्षेत्र में उनके बाद के अध्ययनों के विपरीत हॉकिंग की "शास्त्रीय" अवधि कहा जा सकता है।

लगभग उसी समय, ऑक्सफोर्ड से रोजर पेनरोस ने एक उल्लेखनीय सबूत का आयोजन किया: जीटीआर के अनुसार, बहुत व्यापक परिस्थितियों में, स्थान और समय आवक ढह जाएगा और एक विलक्षणता का निर्माण करेगा। यदि गुरुत्वाकर्षण स्थान-समय की वक्रता है, तो समय में विलक्षणता एक ऐसा बिंदु है जिस पर यह वक्रता असीम रूप से बड़ी हो जाती है। प्रमेय ने दिखाया कि विलक्षणताएं सिर्फ कुछ चमत्कार नहीं थीं; वे जीआर की एक महत्वपूर्ण संपत्ति हैं।

पेनरोज़ का परिणाम ब्लैक होल पर लागू किया गया था - अंतरिक्ष-समय के खंड जिसमें गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र इतना मजबूत होता है कि प्रकाश वहां से भी नहीं निकल सकता है। ब्लैक होल के अंदर, एक विलक्षणता भविष्य में छिप जाती है। हॉकिंग ने पेनरोज़ का विचार लिया और इसे यूनिवर्स के अतीत में भेजते हुए इसे बाहर कर दिया। उन्होंने दिखाया कि समान सामान्य परिस्थितियों में अंतरिक्ष को एक विलक्षणता से उभरना चाहिए था: बिग बैंग। आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञानी बिग बैंग मॉडल के बारे में कहते हैं (और सभी को भ्रमित करते हैं), जो एक बहुत ही सफल सिद्धांत है जो अरबों वर्षों में एक विस्तारित ब्रह्मांड के विकास का वर्णन करता है, और बिग बैंग विलक्षणता के बारे में, जिसके बारे में हम अभी तक दावा नहीं कर सकते हैं।

तब हॉकिंग ने अपना ध्यान ब्लैक होल की ओर लगाया। पेनरोज़ की गणनाओं का एक और दिलचस्प परिणाम यह था कि ऊर्जा को एक घूर्णन ब्लैक होल से निकाला जा सकता है, अनिवार्य रूप से इसके घूमने से ऊर्जा निकालने तक। हॉकिंग यह दिखाने में सक्षम थे कि, हालांकि ऊर्जा निकालना संभव है, लेकिन बीएच के आसपास की घटना क्षितिज का क्षेत्र किसी भी शारीरिक प्रक्रियाओं में बढ़ जाएगा। यह "क्षेत्र प्रमेय" अपने आप में और भौतिकी के पूरी तरह से अलग क्षेत्र के संबंध में महत्वपूर्ण था: ऊष्मा अंतरण का अध्ययन करने वाले ऊष्मागतिकी।

थर्मोडायनामिक्स प्रसिद्ध कानूनों के एक सेट का पालन करता है। उदाहरण के लिए, पहला कानून कहता है कि ऊर्जा संरक्षित है, और दूसरी जो एन्ट्रापी - ब्रह्मांड के विकार का एक उपाय है - एक बंद प्रणाली में कभी नहीं घटती। जेम्स बार्डिन और ब्रैंडन कार्टर के साथ काम करते हुए, हॉकिंग ने थर्मोडायनामिक्स के समान "ब्लैक होल मैकेनिक्स" के कानूनों का एक सेट प्रस्तावित किया। ऊष्मप्रवैगिकी में, बीएच यांत्रिकी का पहला कानून ऊर्जा संरक्षण की गारंटी देता है। दूसरा कानून, हॉकिंग स्क्वायर प्रमेय, सुझाव देता है कि घटना क्षितिज का क्षेत्र कभी कम नहीं होता है। दूसरे शब्दों में, बीएच घटना क्षितिज का क्षेत्र एक थर्मोडायनामिक प्रणाली के एन्ट्रापी के समान है - वे समय के साथ बढ़ते हैं।

ब्लैक होल का वाष्पीकरण

हॉकिंग और उनके सहयोगियों को बीएच यांत्रिकी के नियमों पर गर्व था, लेकिन वे उन्हें केवल एक औपचारिक सादृश्य मानते थे, न कि गुरुत्वाकर्षण और उष्मागतिकी के बीच शाब्दिक संबंध। 1972 में, प्रिंसटन यूनिवर्सिटी के स्नातक, जैकब बेकेंस्टीन ने सुझाव दिया कि इसमें और भी बहुत कुछ था। शानदार विचार प्रयोगों के आधार पर, उन्होंने सुझाव दिया कि BH व्यवहार केवल ऊष्मप्रवैगिकी के समान नहीं है, यह ऊष्मागतिकी है। विशेष रूप से, बीएच में एंट्रोपी है।

कई बोल्ड विचारों की तरह, यह विचार विशेषज्ञों से प्रतिरोध के साथ मिला - और उस समय स्टीफन हॉकिंग बीएच पर विश्व विशेषज्ञ थे। हॉकिंग को उन पर संदेह था, और अच्छे कारण से। यदि BH मैकेनिक ऊष्मागतिकी का एक रूप बन गया, तो इसका अर्थ यह होगा कि BH का तापमान है। और तापमान के साथ वस्तुओं का उत्सर्जन होता है - प्रसिद्ध "ब्लैकबॉडी रेडिएशन", जिसने क्वांटम यांत्रिकी के विकास में केंद्रीय भूमिका निभाई। इसलिए, अगर बेक्केनशीन सही था, तो इसका मतलब यह होगा कि ब्लैक होल वास्तव में काला नहीं है (हालांकि खुद बेक्नेशेटिन अपने बयानों में इतनी दूर नहीं गए थे)।

इस समस्या को गंभीरता से लेने के लिए, सामान्य सापेक्षता की सीमा से परे ध्यान का विस्तार करना आवश्यक है, क्योंकि आइंस्टीन का सिद्धांत विशुद्ध रूप से "शास्त्रीय" है - इसमें क्वांटम यांत्रिकी के विचार शामिल नहीं हैं। हॉकिंग जानते थे कि रूसी भौतिक विज्ञानी अलेक्सी स्टारबिन्स्की और याकोव ज़ेल्डोविच ब्लैक होल के पास क्वांटम प्रभाव का अध्ययन कर रहे थे और इस तरह के प्रभाव की भविष्यवाणी "सुपररड्रेशन" के रूप में करते थे। जिस तरह पेनरोज़ ने दिखाया कि एक घुमाने वाले ब्लैक होल से ऊर्जा निकाली जा सकती है, स्टारोबींस्की और ज़ेल्डोविच ने दिखाया कि क्वांटम यांत्रिकी के प्रभावों के कारण घूर्णन ब्लैक होल अचानक विकिरण उत्सर्जित कर सकते हैं। हॉकिंग क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत की तकनीकों के विशेषज्ञ नहीं थे, क्योंकि उस समय कण भौतिकी के विशेषज्ञ, और सामान्य सापेक्षता में नहीं, इस क्षेत्र को समझते थे। लेकिन उन्होंने जल्दी से अध्ययन किया, और बीकेनस्टीन से एक गलती खोजने के लिए बीएच के क्वांटम पहलुओं को समझने के कठिन कार्य पर ध्यान दिया।

इसके बजाय, उन्होंने खुद को आश्चर्यचकित किया और इस प्रक्रिया में सैद्धांतिक भौतिकी को उल्टा कर दिया। उन्होंने पाया कि बीकेंस्टीन सही थे - बीएच ने एन्ट्रापी - और इस विचार के अविश्वसनीय परिणाम भी सही थे - ब्लैक होल पूरी तरह से काले नहीं होते हैं। आज हम इस BH संपत्ति को "बेकेनस्टाइन-हॉकिंग एन्ट्रापी" कहते हैं और वे अपने "हॉकिंग तापमान" पर "हॉकिंग विकिरण" का उत्सर्जन करते हैं।

"उंगलियों पर" हम हॉकिंग विकिरण को निम्नानुसार समझ सकते हैं। क्वांटम यांत्रिकी (अन्य बातों के अलावा) कहता है कि एक प्रणाली को एक निश्चित शास्त्रीय स्थिति में जबरन नहीं लाया जा सकता है; जब आप इसे देखते हैं तो जो कुछ भी आप देखते हैं उसमें हमेशा एक आंतरिक अनिश्चितता होती है। खाली स्थान के लिए भी यह सच है - यदि आप पर्याप्त रूप से देखते हैं, तो ऐसा लगता है कि खाली स्थान "आभासी कणों" से भरा होगा जो लगातार दिखाई देते हैं और गायब हो जाते हैं। हॉकिंग ने दिखाया कि BH के पास आभासी कणों की एक जोड़ी अलग हो सकती है, और उनमें से एक BH में गिर जाएगी, और दूसरा विकिरण से भाग जाएगा। यह आश्चर्य की बात है कि, एक बाहरी पर्यवेक्षक के दृष्टिकोण से, एक कण जो अंदर की तरफ गिर रहा है, उसमें नकारात्मक ऊर्जा होगी। नतीजतन, विकिरण धीरे-धीरे बीएच से द्रव्यमान को दूर ले जाता है - और यह वाष्पित हो जाता है।

हॉकिंग के परिणाम का BH की हमारी समझ पर एक स्पष्ट और उत्कृष्ट प्रभाव पड़ा। एक लौकिक मृत अंत बनने के बजाय, जिसमें पदार्थ और ऊर्जा हमेशा के लिए गायब हो जाते हैं, वे गतिशील वस्तुएं बन गए जो जितनी जल्दी या बाद में पूरी तरह से गायब हो जाते हैं। सैद्धांतिक भौतिकी के लिए अधिक महत्वपूर्ण, इस खोज ने एक सवाल उठाया कि हमारे पास अभी भी कोई जवाब नहीं है: जब मामला ब्लैक होल में गिरता है और फिर ब्लैक होल पूरी तरह से गायब हो जाता है, तो जानकारी कहां जाती है?

यदि आप विश्वकोश लेते हैं और इसे आग में फेंक देते हैं, तो आप विचार कर सकते हैं कि इसमें निहित जानकारी हमेशा के लिए गायब हो गई है। लेकिन क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार, यह कहीं भी गायब नहीं हुआ; यदि आप आग से निकलने वाले प्रकाश और राख के सभी कणों को पकड़ सकते हैं, तो सिद्धांत रूप में, आप आग में गिरी हर चीज को सटीक रूप से फिर से बना सकते हैं - यहां तक ​​कि किताब के पन्ने भी। लेकिन BH, यदि आप हॉकिंग के परिणाम को स्वीकार करते हैं, जैसा कि, पूरी तरह से जानकारी को नष्ट कर देता है - कम से कम बाहरी दुनिया के दृष्टिकोण से। इस पहेली को "सूचना विरोधाभास" कहा जाता है, और यह दशकों से भौतिकविदों को पीड़ा दे रहा है।

हाल के वर्षों में, क्वांटम गुरुत्व (विचार प्रयोगों के स्तर पर) को समझने में प्रगति लोगों की बढ़ती संख्या को आश्वस्त करती है कि जानकारी संग्रहीत है। 1997 में, हॉकिंग ने अमेरिकी भौतिकविदों किप थोर्न और जॉन प्रेस्किल के साथ बहस की; हॉकिंग और थॉर्न ने कहा कि सूचना को नष्ट किया जा रहा है, प्रेसक्विल ने कहा कि जानकारी संग्रहीत है। 2007 में, हॉकिंग ने दम तोड़ दिया और स्वीकार किया कि बीएचएस वास्तव में जानकारी को नष्ट नहीं कर रहे हैं। हालांकि, थोर्न ने हार नहीं मानी और खुद प्रेस्किल का मानना ​​है कि यह निष्कर्ष समय से पहले था। बीएच विकिरण और एन्ट्रॉपी क्वांटम गुरुत्व की बेहतर समझ के लिए खोज में केंद्रीय है।

क्वांटम कॉस्मोलॉजी

बीएच विकिरण पर हॉकिंग का काम क्वांटम और शास्त्रीय विचारों के मिश्रण पर आधारित था। उनके मॉडल में, सामान्य सापेक्षता के नियमों के अनुसार, शास्त्रीय दृष्टिकोण से बीएच का मूल्यांकन किया जाता है। इस मामले में, BH के पास आभासी कणों का अनुमान क्वांटम यांत्रिकी के नियमों के अनुसार किया जाता है। कई सैद्धांतिक भौतिकविदों का अंतिम लक्ष्य क्वांटम गुरुत्वाकर्षण का एक सही सिद्धांत बनाना है जिसमें अंतरिक्ष-समय स्वयं क्वांटम प्रणाली का हिस्सा होगा।

और अगर कोई ऐसी जगह है जिसमें क्वांटम यांत्रिकी और गुरुत्वाकर्षण एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, तो यह ब्रह्मांड की शुरुआत है। और यह वास्तव में यह सवाल है, जो आश्चर्य की बात नहीं है, कि हॉकिंग ने अपने करियर के अंतिम हिस्से को समर्पित किया। और इसके साथ, उन्होंने ब्रह्मांड की उत्पत्ति को समझने के लिए एक महत्वाकांक्षी भौतिक परियोजना के लिए एक कार्य योजना को मंजूरी दी।

क्वांटम यांत्रिकी में, एक प्रणाली का कोई स्थान या गति नहीं है; इसकी स्थिति "लहर फ़ंक्शन" द्वारा वर्णित है, जो हमें संभावना बताती है कि सिस्टम को मापने पर हमें एक निश्चित स्थान या गति मिलेगी। 1983 में, हॉकिंग और जेम्स हार्टले ने साधारण शीर्षक के तहत एक काम प्रकाशित किया: "द वेव फंक्शन ऑफ द यूनिवर्स।" उन्होंने एक सरल प्रक्रिया प्रस्तावित की, जिसके आधार पर - सिद्धांत रूप में! - पूरे ब्रह्मांड की स्थिति की गणना करना संभव होगा। हमें नहीं पता कि हार्टले-हॉकिंग तरंग फ़ंक्शन वास्तव में ब्रह्मांड का सही वर्णन है। चूंकि हमारे पास क्वांटम गुरुत्व का पूरा सिद्धांत नहीं है, इसलिए हम यह भी नहीं जानते हैं कि क्या इस तरह की प्रक्रिया सार्थक है। लेकिन उनके काम से पता चला कि हम वैज्ञानिक दृष्टि से ब्रह्मांड के अस्तित्व की शुरुआत के बारे में बात कर सकते हैं।

ब्रह्मांड की उत्पत्ति का अध्ययन करना ब्रह्मांड की अवलोकनीय विशेषताओं के साथ क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के संयोजन की संभावना प्रदान करता है। कॉस्मोलॉजिस्ट मानते हैं कि शुरुआती समय से पदार्थ के घनत्व में छोटे बदलाव धीरे-धीरे आज दिखाई देने वाले सितारों और आकाशगंगाओं के वितरण में बढ़ गए हैं। ब्रह्मांड की उत्पत्ति का एक पूरा सिद्धांत इन परिवर्तनों की भविष्यवाणी कर सकता है, और इस कार्यक्रम का कार्यान्वयन आधुनिक भौतिकविदों के मुख्य व्यवसायों में से एक है। हॉकिंग ने इस कार्यक्रम में, यूनिवर्स के अपने तरंग समारोह के पक्ष में और एलन गट द्वारा प्रस्तावित "मुद्रास्फीति ब्रह्मांड" मॉडल के संदर्भ में कई योगदान दिए।

ब्रह्मांड की उत्पत्ति के बारे में बात करना एक उत्तेजक कार्रवाई है। यह इस आशा को जन्म देता है कि विज्ञान वास्तविकता का पूर्ण और आत्मनिर्भर वर्णन प्रदान करने में सक्षम होगा - और ऐसी आशा विज्ञान के दायरे से परे है और स्वयं को दर्शन और धर्मशास्त्र के क्षेत्र में पाता है। हॉकिंग, जो हमेशा उकसावे से प्यार करते थे, इस तरह के परिणामों के बारे में कभी नहीं शर्मीले थे। वह वेटिकन में आयोजित ब्रह्मांड विज्ञान पर सम्मेलन को याद करना पसंद करते हैं, जिस पर पोप जॉन पॉल द्वितीय ने कथित रूप से इकट्ठे विद्वानों को ब्रह्मांड की उत्पत्ति में देरी न करने के लिए कहा, "चूंकि यह सृजन का क्षण था, और इसलिए भगवान के हाथों का काम है।" लेकिन ऐसी चेतावनियों ने हॉकिंग को कभी नहीं रोका; उन्होंने वैज्ञानिक प्रश्नों के सबसे मौलिक उत्तर के लिए अथक खोज में अपना जीवन व्यतीत किया।