بریده‌هایی از کتاب پاسخ‌های کوتاه به پرسش‌های بزرگ

پس نور بدون دردسر می‌تواند از زمین یا خورشید بگریزد. اما میچل گفت ممکن است ستاره‌هایی باشند که از خورشید بسیار بزرگتر و سرعت گریز آنها بیش از سرعت نور باشد. نمی‌توانیم ببینیمشان چون هر نوری که ساطع کنند با گرانش برگردانده می‌شود. میچل آنها را ستارهٔ تاریک نامید. ما به آنها سیاهچاله می‌گوییم.

۵. داخل یک سیاهچاله چیست؟ می‌گویند واقعیت گاهی از خیال عجیب‌تر است. سیاهچاله‌ها بهترین نمونه برای این حرف هستند. سیاهچاله‌ها از تمام چیزهایی که نویسنده‌های داستان‌های علمی تخیلی تجسم کرده‌اند عجیب‌ترند ولی واقعیت‌های علمیِ ثابت‌شده هستند. سال ۱۷۸۳ اولین باری بود که صحبت از سیاهچاله شد و گوینده یکی از کمبریجی‌ها بود؛ جان میچل. استدلالش این بود: اگر جسمی، مثلاً گلولهٔ توپ را مستقیم به بالا شلیک کنیم گرانش حرکتش را کُند می‌کند. در نهایت حرکتش متوقف می‌شود و می‌افتد. ولی اگر سرعتِ رو به بالا بیشتر از مقدار خاصی باشد که سرعتِ گریز نام دارد، گرانش نیرویِ کافی برای توقفش نخواهد داشت و می‌تواند فرار کند. سرعت گریز از زمین، کمی بیش از ۱۱ کیلومتر در ثانیه است و از خورشید حدود ۶۱۷ کیلومتر در ثانیه. هر دو مقدار خیلی بیشتر از سرعت گلوله‌های واقعی توپ است ولی نسبت به‌سرعت نور که سیصد هزار کیلومتر در ثانیه است سرعت کمی به حساب می‌آیند.

آیا قوانینِ حاکم بر عالم به ما اجازه می‌دهند با دقت پیش‌بینی کنیم که در آینده چه اتفاقی برای ما خواهد افتاد؟ پاسخِ کوتاه نه است، و آری. به شکل نظری، قوانین به ما اجازهٔ پیش‌بینی آینده را می‌دهند. اما در عمل، محاسبات غالباً بیش از حد پیچیده‌اند.

با اینکه مکانیک کوانتوم هنگامِ تلاش برای پیش‌بینیِ همزمانِ مکان و سرعت منجر به عدم قطعیت می‌شود، اما همچنان اجازه می‌دهد که با قطعیت ترکیبی از مکان و سرعت را پیش‌بینی کنیم. با این همه، پژوهش‌های جدیدتر حتی این درجه از قطعیت را زیر سؤال برده است. مشکل ناشی از این است که گرانش می‌تواند مسبب اعوجاج در فضازمان شود و این اعوجاج می‌تواند آنقدر باشد که برخی نواحی فضا مشاهده‌پذیر نباشند. این نواحی داخل سیاهچاله‌ها هستند. یعنی حتی به‌شکل فرضی هم نمی‌توانیم ذرات داخل سیاهچاله را مشاهده کنیم. در نتیجه، این بحث پیش می‌آید که آیا این باعث می‌شود توانِ پیش‌بینی حتی بازهم بیش از آنچه در مکانیک کوانتوم هست کاهش یابد؟ خلاصه کنم. دیدگاه کلاسیک که لاپلاس ارائه کرد این بود که حرکتِ آتی ذرات، اگر مکان و سرعت آنها را در لحظه‌ای خاص بدانیم، دقیقاً قطعی است. وقتی هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را ارائه کرد مجبور شدیم این دیدگاه را تغییر دهیم چون طبق این اصل، شناساییِ دقیقِ هر دو مقدارِ مکان و سرعت ناممکن است. اما هنوز می‌شد ترکیبی از مکان و سرعت را پیش‌بینی کرد. اما اگر سیاهچاله‌ها را هم در نظر بگیریم، شاید حتی این توانِ محدود برای پیش‌بینی هم وجود نداشته باشد.

اما تابع موج در نزدیکی این تیزی تغییرات بسیار سریعی خواهد داشت، رو به بالا در یک سو و رو به پایین در سوی دیگر. در نتیجه، عدم قطعیتِ سرعت، زیاد خواهد بود. به‌گونه‌ای مشابه، توابعی موجی وجود دارد که در آنها عدم قطعیتِ سرعت کم ولی عدم قطعیتِ مکان زیاد است. تابع موج حاوی تمامی چیزهایی است که می‌توان در مورد ذره دانست، هم مکان آن و هم سرعت آن. اگر تابع موج را در یک لحظه بدانید، مقدار آن در لحظه‌های دیگر توسط چیزی به نام معادلهٔ شرودینگر تعیین می‌شود. پس هنوز نوعی جبریت وجود دارد ولی نه آن نوعی که لاپلاس تجسم می‌کرد. به جای اینکه بتوانیم مکان و سرعتِ ذرات را پیش‌بینی کنیم فقط می‌توانیم تابع موجی را پیش‌بینی کنیم. این یعنی فقط نیمی از چیزی که دیدگاه کلاسیک قرن نوزدهمی قابل پیش‌بینی می‌دانست.

دانشمندانِ دیگر آمادگیِ بیشتری از آینشتاین برای تغییر دیدگاه قرن نوزدهمی جبریت داشتند. نظریه‌ای جدید به نام مکانیک کوانتوم توسط هایزنبرگ، اِروین شرودینگرِ اتریشی و فیزیکدان بریتانیایی پُل دیرَک ارائه شد. دیرک یکی مانده به آخرین کسی بود که قبل از من کرسیِ لوکاسی را در کمبریج داشت. با اینکه مکانیک کوانتوم حدود هفتاد سال وجود داشته است اما هنوز اقبال و ادراک عام نداشته، حتی در بین کسانی که از آن در محاسبات خود استفاده می‌کنند. اما همهٔ ما باید به آن توجه کنیم چون با تصویر کلاسیکِ عالم فیزیکی، و خودِ واقعیت، فرق زیادی دارد. در مکانیک کوانتوم، موقعیت و سرعت ذرات به‌خوبی تعریف نشده است. در عوض، آنها را با چیزی که تابعِ موجی می‌نامند نشان می‌دهند. تابعِ موجی یک عدد در هر نقطه از فضاست. ابعادِ تابع موج، نشان‌دهندهٔ احتمال پیدا کردن آن ذره در آن مکان است. نسبت تغییرِ تابع موج از این نقطه به آن نقطه، گویای سرعت ذره است. ممکن است تابعی موجی داشته باشیم که در محدوده‌ای خاص بسیار تیز باشد. این یعنی عدم قطعیت در این موقعیت کم است.

آینشتاین دلِ خوشی از این اتفاقی بودنِ ظاهریِ طبیعت نداشت. نظرش در عبارت معروفش جمع‌بندی شده است: " خداوند تاس نمی‌اندازد." به نظر می‌رسد که او احساس می‌کرد که عدم قطعیت صرفاً موقتی است و واقعیتی پشت پرده وجود دارد که ذرات در آن واقعیت، مکان و سرعت تعریف‌شده و دقیق دارند و مطابق نظر لاپلاس، طبق قوانینِ جبری رفتار می‌کنند. خداوند این واقعیت را می‌شناسد اما طبیعتِ کوانتومی نور به ما اجازهٔ دیدن آن را نمی‌دهد، مگر در آینه به صورت معما. نظر آینشتاین چیزی است که الآن " نظریهٔ متغیرِ پنهان" نام دارد. این نظریات شاید در ظاهر بدیهی‌ترین روش ادغام اصل عدم قطعیت در فیزیک باشند. اینها پایهٔ تصویر ذهنیِ اغلب دانشمندان و تقریباً همهٔ فلاسفهٔ علم از کیهان هستند. اما این نظریاتِ متغیر پنهان، غلط‌اند. فیزیکدان بریتانیایی، جان بِل، آزمونی عملی طراحی کرد که نظریات متغیر پنهان را نفی می‌کرد. وقتی آزمون به‌دقت انجام می‌شد، نتایج با متغیرهای پنهان همخوانی نداشت. پس به نظر می‌رسد اصل عدم قطعیت حتی خدا را محدود می‌کند و نمی‌تواند هم مکان و هم سرعتِ یک ذره را بشناسد. تمامی شواهد بر این است که او قمار می‌کند و در هر فرصت ممکن تاس می‌اندازد.

. امکانِ بُرد وجود ندارد: هر چه در تعیین مکان ذره بیشتر دقت کنید، دقت سنجش سرعت کمتر می‌شود و بالعکس. جمع‌بندیِ این وضعیت را می‌شود در اصل عدم قطعیت که هایزنبرگ فرمول‌بندی کرد دید؛ عدم قطعیت در مکانِ ذره ضرب در عدم قطعیتِ سرعت آن تقسیم بر دو برابرِ جرمِ ذره، همواره بزرگتر از کمیتی به نام " ثابت پلانک" است. دیدگاه لاپلاس در مورد جبریت علمی شامل شناخت مکان و سرعتِ ذرات عالم در لحظه‌ای از زمان بود. در نتیجه، شدیداً توسط اصل عدم قطعیت هایزنبرگ تضعیف شد. چگونه می‌توان آینده را پیش‌بینی کرد، وقتی نمی‌توان به‌دقت هر دو مقدارِ سرعت و مکانِ ذرات را در حال حاضر سنجید؟ هر چقدر هم کامپیوترتان قوی باشد، اگر داده‌ها مهمل باشند، پیش‌بینی‌ها هم مهمل خواهد بود.

اما مقدار این دَوَران نمی‌توانست هر ارزشی داشته باشد. باید ضریبی از واحدی پایه‌ای می‌بود. چون این واحد خیلی کوچک است نمی‌توانیم ببینیم که فرفرهٔ واقعی در توالیِ سریعی از گام‌های منفصل کُند می‌شود و نه طی فرآیندی پیوسته. اما در مورد فرفره‌هایی به کوچکی اتم، طبیعتِ منفصلِ دَوَران بسیار مهم است. کمی طول کشید تا افراد متوجه تأثیر این رفتار کوانتومی بر جبریت شوند. در سال ۱۹۲۷ بود که فیزیکدان آلمانی دیگری به نام ورنر هایزنبرگ اعلام کرد که نمی‌توان با دقت هر دو مقدارِ مکان و سرعتِ یک ذره را تعیین کرد. برای دیدنِ مکان ذره، باید بر آن نور افکنده شود. اما با توجه به گفتهٔ پلانک، نمی‌توان مقدار کم و دلبخواهی از نور به‌کار برد و حداقل یک کوانتوم لازم است. این بر ذره تأثیر می‌گذارد و سرعت آن را به‌نحوی که نمی‌توان پیش‌بینی کرد، تغییر می‌دهد. برای تعیین دقیقِ مکانِ یک ذره باید از نوری با طول موج کم، مثل امواج ماوراءبنفش یا ایکس یا گاما، استفاده شود. اما باز هم کارِ پلانک نشان می‌دهد که کوانتوم‌های این انواع نور، انرژی‌های بیشتری از کوانتوم‌های نور مرئی دارند. پس روی سرعت ذره تأثیر بیشتری می‌گذارند.

اما پلانک نشان داد که راه‌حلی برای اجتناب از این فاجعه وجود دارد. می‌بایستی از این باور که مقدار تشعشع می‌تواند دارای هر ارزش عددی باشد دست می‌شستیم و به جای آن می‌گفتیم که تشعشع فقط در بسته‌ها یا کوانتوم‌هایی با اندازهٔ خاص ممکن است؛ تا حدی مثل اینکه بگوییم نمی‌توان شکر را فله‌ای خرید و فقط در بسته‌های یک کیلویی عرضه می‌شود. انرژیِ بسته‌ها یا کوانتوم‌های اشعه‌های ماوراء بنفش و ایکس بیشتر از انرژیِ نورِ مرئی یا مادون قرمز است. یعنی جسم انرژی کافی برای ساطع کردنِ حتی یک کوانتوم تشعشعِ ماوراء بنفش یا ایکس ندارد، مگر به داغی خورشید باشد. به همین دلیل است که لیوان قهوه ما را آفتاب‌سوخته نمی‌کند. پلانک ایدهٔ کوانتوم‌ها را صرفاً حیله‌ای ریاضی می‌انگاشت؛ چیزی فاقد حقیقتِ فیزیکی، حالا این اصطلاح به هر معنا که باشد. اما فیزیکدان‌ها رفتارهای دیگری را نیز مشاهده کردند که فقط با استفاده از کمیت‌هایی که ارزش آنها منفصل یا کوانتومی باشد، و نه در حال تغییرِ پیوسته، توضیح‌پذیر بودند. مثلاً دیده شد که ذرات بنیادی شبیه فرفره‌های کوچک رفتار می‌کنند و دور یک محور می‌چرخند.