ستيفن هوكينغ: الثقوب السوداء والزمن وحياة في العلم

جعل ستيفن هوكينغ الثقوب السوداء أقل بساطة والكون أصعب تجاهلاً. بدت تلك الأجرام مصائد نهائية لا يعود منها شيء، لكن حساباته أشارت إلى أن الفيزياء الكمية تغير القصة: ينبغي أن تكون للثقب الأسود درجة حرارة وأن يصدر إشعاعاً. وتحول الحد الفاصل بين المعروف والمجهول إلى ملتقى للجاذبية والحرارة والمعلومات.

كانت حياته العامة لافتة أيضاً، لكنها لا ينبغي أن تحل محل علمه. أصبح الكرسي المتحرك والصوت الاصطناعي رمزين معروفين عالمياً. وخلفهما كان فيزيائي يعمل ويتعاون ويناقش ويراجع أفكاره، معتمداً على شبكة واسعة من الرعاية والدعم التقني. وفهم هوكينغ يقتضي النظر إلى الرياضيات وإلى الظروف الإنسانية التي أتاحت عمله معاً.

من أكسفورد إلى أسئلة البداية

ولد ستيفن وليام هوكينغ في أكسفورد في 8 يناير 1942. درس العلوم الطبيعية في الكلية الجامعية بأكسفورد، ثم انتقل إلى كامبريدج عام 1962 لدراسة علم الكون بإشراف دينيس سياما. وربطه مشرفه بباحثين يتساءلون كيف تصف نظرية أينشتاين كوناً متطوراً. وأكمل الدكتوراه في كامبريدج عام 1966. المصدر: www.cam.ac.uk

كان علم الكون يتحول إلى تخصص تقيده المشاهدات بصورة متزايدة. تصف النسبية العامة الجاذبية من خلال هندسة الزمكان، لكن معادلاتها تسمح بأكوان رياضية عديدة. سأل هوكينغ إن كانت بعض السمات، ومنها تعطل الوصف الكلاسيكي في الماضي، تنتج من مبادئ عامة لا من افتراضات تناظر مريحة. وتحتفظ أوراقه المؤرشفة بآثار الجهد المتواصل وراء تلك الأسئلة. المصدر: www.cam.ac.uk

المرض والتكيف والأشخاص المحيطون به

شخص هوكينغ بمرض العصبون الحركي في نحو الحادية والعشرين، ويشار إلى حالته عادة بالتصلب الجانبي الضموري. قيد المرض حركته تدريجياً ثم قدرته على الكلام. ولا ينبغي اعتبار بقائه الاستثنائي على قيد الحياة توقعاً نموذجياً للمرضى الآخرين. كذلك لا يثبت إنجازه أن المرض يولد العبقرية؛ يمكن تقدير المثابرة دون تصوير المعاناة كهدية. المصدر: archivesearch.lib.cam.ac.uk

أسهمت الأسرة والمساعدون والممرضون والزملاء والمهندسون في استمرار عمله. وأدت جين وايلد، التي تزوجها عام 1965 وأنجب منها ثلاثة أطفال، دوراً كبيراً في حياته العائلية المبكرة ورعايته. كان التنقل والسفر والتواصل والحصول على المساعدة يتطلب وقتاً وموارد. أما صورة العقل المستقل عن الجسد فتحجب هذه الشروط المادية ومساهمات الآخرين. المصدر: www.hawking.org.uk

ماذا أثبتت مبرهنات التفرد فعلاً؟

ساهم هوكينغ مع روجر بنروز في إثبات أن التفردات ليست مجرد عيوب في نماذج مفرطة التبسيط. حدد بحثهما المشترك عام 1970 ظروفاً يصبح فيها الزمكان الكلاسيكي غير مكتمل جيوديسياً: بعض مسارات السقوط الحر لا يمكن تمديدها بلا نهاية ضمن الوصف الرياضي. وتهم هنا الافتراضات المتعلقة بالجاذبية والبنية السببية والمناطق المحصورة. إنها مبرهنة مشروطة، وليست صورة للحظة الكون الأولى. المصدر: doi.org

يشير التفرد بهذا المعنى إلى عجز الوصف الكلاسيكي عن تقديم امتداد كامل، لا إلى تأكيد تجريبي لنقطة كثافتها لا نهائية حرفياً. وقد تعدل نظرية كمية للجاذبية هذا الوصف عند حدود النسبية. كان إنجاز هوكينغ إذاً تحديد الموضع الذي تتوقف فيه نظرية ناجحة عن أن تكون كافية، دون الادعاء بامتلاك تفسير نهائي لما يحل محلها.

الثقوب السوداء والمساحة والحرارة

أثبت هوكينغ في النسبية العامة الكلاسيكية، وتحت شروط مناسبة، أن المساحة الإجمالية لآفاق الثقوب السوداء لا تتناقص. يشبه ذلك سلوك الإنتروبيا في الديناميكا الحرارية. وأخذ جاكوب بيكنشتاين التشابه بجدية واقترح أن للثقوب السوداء إنتروبيا مرتبطة بمساحة الأفق. تحدت الفكرة تصورها كأجرام باردة تمتص كل شيء دون خصائص داخلية ذات صلة بالحرارة. المصدر: doi.org

منح حساب هوكينغ الكمي اللاحق هذه الصلة مضموناً فيزيائياً. لم تعد الحرارة والإنتروبيا والجاذبية فصولاً مستقلة. فالإنتروبيا الناتجة تتناسب مع المساحة بدلاً من الحجم المعتاد، وهي إشارة مهمة لبحوث الجاذبية الكمية. ولا يتناقض ازدياد المساحة الكلاسيكي مع التبخر الكمي تحت افتراضات متطابقة؛ فالثاني يضيف تأثيرات غائبة عن الأول.

إشعاع هوكينغ: تنبؤ لا وهج مرصود

تنبأ هوكينغ عام 1974 بأن الحقول الكمية حول الثقب الأسود تنتج تدفقاً حرارياً يمكن رصده من بعيد. في الحالة البسيطة غير الدوارة تنخفض الحرارة مع ازدياد الكتلة. والثقب المعزول الذي يفقد طاقة أكثر مما يمتص يفقد كتلته تدريجياً. ولثقب بكتلة الشمس تبلغ الحرارة المتوقعة نحو ستين جزءاً من مليار كلفن، أي أقل كثيراً من حرارة الخلفية الكونية الميكروية الحالية. المصدر: doi.org

قد تساعد الصورة الشائعة لأزواج جسيمات تظهر قرب الأفق على تذكر الفكرة، لكنها ليست اشتقاقاً كاملاً. يتعلق الحساب بالحقول الكمية في الزمكان المنحني، ولا يمثل الإشعاع رسالة تفلت من داخل محصور أصلاً. لم يرصد إشعاع هوكينغ مباشرة من ثقوب سوداء فلكية. أما التجارب التناظرية في المختبر فتدرس رياضيات متقاربة في نظم أخرى، ولا تعادل مشاهدة ثقب أسود حقيقي يتبخر. المصدر: doi.org

مشكلة المعلومات التي لم تختف

إذا سقطت أشياء مختلفة في ثقب أسود ثم اختفى في إشعاع يبدو حرارياً، فما مصير المعلومات الكمية التي ميزت تلك الأشياء؟ يحفظ التطور الكمي المعتاد المعلومات بمعناها التقني، حتى لو كانت استعادتها غير عملية. وضع تحليل هوكينغ هذا المبدأ في توتر مع الوصف شبه الكلاسيكي للثقوب السوداء. المصدر: doi.org

تعني المعلومات هنا تحديد الحالة الفيزيائية وارتباطاتها، لا مكتبة ذكريات قابلة للقراءة. قدمت عقود من الأبحاث حججاً قوية لصالح حفظ المعلومات ضمن أطر نظرية معينة. لكنها لا تمنح الفلكيين وصفاً مثبتاً تجريبياً لداخل ثقب يتبخر. وتظل المفارقة مفيدة لأنها تكشف افتراضات تحتاج إلى تفسير إضافي.

كون بلا حد ابتدائي؟

اقترح هوكينغ وجيمس هارتل عام 1983 وصفاً كمياً للكون يعرف بمقترح اللاتحددية أو الكون بلا حدود. بدلاً من وضع حافة زمنية ابتدائية عادية، سعيا إلى بناء دالة موجية باستخدام هندسات منتظمة بالشكل المناسب. كانت محاولة لصياغة علم الكون كمياً، حيث قد لا يؤدي الزمن دور الساعة الخارجية المألوفة. المصدر: doi.org

يبقى ذلك مقترحاً لا رواية مرصودة لنشأة الكون. يعتمد تفسيره وتنبؤاته على اختيارات تقنية ما زالت موضوع بحث. ولا يحسم جميع أسئلة الوجود، كما لا تجعل شهرة صاحبه نموذجه صحيحاً وحده. تتضح جرأة هوكينغ العلمية أكثر حين نحافظ على الفاصل بين الاحتمال الرياضي والوصف المثبت.

صوت أتاحته الهندسة

بعد مرض شديد عام 1985، أفقدت عملية فغر الرغامى هوكينغ صوته الطبيعي. مكنته نظم حاسوبية لاحقاً من اختيار النص ونطقه بواسطة مولد صوت. وتطورت الأجهزة مع تراجع حركته. كان الغرض منحه تحكماً عملياً في التواصل، لا قراءة أفكاره مباشرة. المصدر: www.hawking.org.uk

جمع عمل إنتل اللاحق على مجموعة أدوات التواصل المساعدة المعروفة باسم ACAT بين واجهات ميسرة وأدوات لبناء النص ونقله. والدرس أوسع من سيرة فرد: تعتمد المشاركة الفكرية أيضاً على بيئات قابلة للاستخدام وتقنيات قابلة للتكيف. كان للصوت المعروف عالمياً دور يومي أساسي، هو تمكين صاحبه من الكتابة والإجابة والمحادثة. المصدر: www.intel.com

تاريخ موجز للزمن والكون أمام الجمهور

صدر كتاب تاريخ موجز للزمن عام 1988، وجذب جمهوراً واسعاً إلى علم الكون والثقوب السوداء وطبيعة الزمن. لا يعني نجاحه أن كل قارئ أتقن النسبية، بل أن الأفكار الصعبة تستطيع إثارة فضول الجمهور. أصبح هوكينغ شخصية ثقافية وباحثاً معاً، دون أن تتحول الشعبية إلى برهان علمي. المصدر: www.iop.org

يوضح الكتاب كذلك مخاطر الاختصار. يفتح التشبيه باباً للفهم، لكنه قد يخفي تحفظات تقنية. ليست الأدلة الرصدية على التوسع والنتائج الرياضية للنسبية ومقترحات علم الكون الكمي في المرتبة المعرفية نفسها. يمكن للسرد العلمي جمعها شرط إبقاء الفروق واضحة.

إرث جعل الأسئلة أكثر دقة

شغل هوكينغ كرسي لوكاس للرياضيات في كامبريدج من 1979 إلى 2009، وتوفي في 14 مارس 2018. ينتمي تأثيره إلى تاريخ تعاوني يضم بنروز وسياما وبيكنشتاين وهارتل وجورج إليس وأجيالاً من الطلاب. استمر برنامجه البحثي لأنه وصل بين بداية الكون وانهيار النجوم وطبيعة المعلومات. المصدر: doi.org

تروي الصلة بنيوتن تاريخ تحول الأسئلة، لا مسابقة بين عباقرة. وحد نيوتن الحركة السماوية والأرضية في نظام رياضي، وكشف هوكينغ حدوداً للجاذبية الكلاسيكية عندما تصبح التأثيرات الكمية مهمة. ويتابع مقالنا عن داخل الثقوب السوداء هذه الحدود المفتوحة. لم يجعل إرثه الكون مألوفاً، بل أظهر بوضوح نادر لماذا يظل غريباً. إسحاق نيوتن: حياته والجاذبية وقوانين الحركة ماذا يحدث داخل الثقب الأسود؟