هاوکینگ در کالج دانشگاهی، آکسفورد لیسانس ، ۱۹۶۲)، و ترینیتی هال، کمبریج ( دکتری ، ۱۹۶۶) فیزیک تحصیل کرد. او به عنوان محقق در کالج Gonville و Caius در کمبریج انتخاب شد. در اوایل دهه ۱۹۶۰ هاوکینگ به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک ، یک بیماری عصبی عضلانی دژنراتیو غیر قابل درمان مبتلا شد. او علیرغم اثرات ناتوان کننده تدریجی بیماری به کار خود ادامه داد.
ویژه در زمینه فیزیک سیاهچاله ها کار می کرد. در سال ۱۹۷۱ او پیشنهاد کرد که پس از انفجار بزرگ ، اجسام متعددی با جرمی بالغ بر یک میلیارد تن تشکیل شوند ، اما فقط فضای یک پروتون را اشغال کنند . این اشیاء، به نامسیاهچاله های کوچک از این نظر منحصر به فرد هستند که جرم و گرانش عظیم آنها مستلزم این است که قوانین نسبیت بر آنها حکمرانی کند، در حالی که اندازه کوچک آنها مستلزم این است که قوانین مکانیک کوانتومی نیز در مورد آنها اعمال شود. در سال ۱۹۷۴ هاوکینگ پیشنهاد کرد که طبق پیش‌بینی‌های نظریه کوانتومی، سیاهچالهها ذرات زیر اتمی را منتشر می‌کنند تا انرژی خود را تمام کنند و در نهایت منفجر شوند. کار هاوکینگ به شدت تلاش‌هایی را برای تشریح نظری ویژگی‌های سیاهچالهها، اجرامی که قبلاً تصور می‌شد درباره‌ی آنها چیزی نمی‌توان شناخت. کار او همچنین مهم بود زیرا رابطه این خواص را با قوانین ترمودینامیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی نشان داد.
کمک های هاوکینگ به فیزیک، افتخارات استثنایی بسیاری را برای او به ارمغان آورد
انجمن سلطنتی او را یکی از جوانترین اعضای خود انتخاب کرد. او در سال ۱۹۷۷ استاد فیزیک گرانشی در کمبریج شد و در سال ۱۹۷۹ به سمت استادی ریاضیات لوکاسی در کمبریج منصوب شد، پستی که زمانی توسط ایزاک نیوتن به عهده داشت. هاوکینگ در سال ۱۹۸۲ به عنوان فرمانده نشان امپراتوری بریتانیا (CBE) و در سال ۱۹۸۹ به عنوان همراه افتخار انتخاب شد. او همچنین مدال کپلی را از انجمن سلطنتی در سال ۲۰۰۶ و مدال آزادی ریاست جمهوری ایالات متحده را در سال ۲۰۰۹ دریافت کرد. در سال ۲۰۰۸ او کرسی پژوهشی بازدیدکننده در موسسه فیزیک نظری Perimeter در واترلو، انتاریو، کانادا را پذیرفت.
انتشارات او شامل ساختار بزرگ فضا-زمان (۱۹۷۳؛ تالیف مشترک G.F.R. Ellis)، ابرفضا و ابر گرانش (۱۹۸۱)، جهان بسیار اولیه (۱۹۸۳)، و پرفروش ترین کتاب تاریخ مختصر زمان: از بیگ بنگ تا سیاه چاله ها (۱۹۸۸)، جهان به طور خلاصه (۲۰۰۱)، تاریخچه مختصر زمان (۲۰۰۵)، و طرح بزرگ (۲۰۱۰؛ با همکاری لئونارد ملودینو).
نظریه ریسمان، در فیزیک ذرات، نظریه ای که تلاش می کند مکانیک کوانتومی را با نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین ادغام کند. نام نظریه ریسمان از مدل سازی می آید
موجودات ریز رشته‌مانند یک‌بعدی به‌جای رویکرد مرسوم‌تر که در آن به‌عنوان ذرات نقطه صفر مدل‌سازی می‌شوند. این نظریه پیش بینی می کند که الفرشته ای که تحت یک حالت خاص ارتعاش قرار می گیرد، مربوط به ذره ای با خواص مشخص مانند جرم و بار است. در دهه ۱۹۸۰، فیزیکدانان دریافتند که نظریه ریسمان این پتانسیل را دارد که هر چهار نیروی طبیعت را در خود جای دهد.جاذبه ،الکترومغناطیس ،نیروی قوی ، ونیروی ضعیف – و همه انواع ماده در یک چارچوب مکانیکی کوانتومی واحد، نشان می‌دهد که ممکن است نظریه میدان یکپارچه مدت‌ها مورد جستجو باشد . در حالی که نظریه ریسمان هنوز یک حوزه تحقیقاتی پر جنب و جوش است که به سرعت در حال توسعه است، در درجه اول یک ساختار ریاضی باقی می ماند زیرا هنوز با مشاهدات تجربی تماس پیدا نکرده است.
نسبیت و مکانیک کوانتومی
نظریه ریسمان چیست؟
برایان گرین ایده اصلی نظریه ریسمان را در کمتر از سه دقیقه توضیح می دهد.
در سال ۱۹۰۵ اینشتین با نظریه نسبیت خاص خود فضا و زمان را متحد کرد ( نگاه کنید به فضا-زمان ) و نشان داد که حرکت در فضا بر گذر زمان تأثیر می گذارد. در سال ۱۹۱۵ اینشتین با نظریه نسبیت عام خود فضا، زمان و گرانش را متحدتر کرد و نشان داد که تاب و منحنی ها در فضا و زمان عامل نیروی گرانش هستند. اینها دستاوردهای عظیمی بودند، اما انیشتین رویای یک اتحاد بزرگتر را در سر داشت. او یک چارچوب قدرتمند را متصور شد که فضا، زمان و تمام نیروهای طبیعت را توضیح دهد – چیزی که او آن را نظریه یکپارچه نامید. اینشتین در سه دهه آخر زندگی خود بی وقفه این چشم انداز را دنبال کرد. اگرچه هر از چند گاهی شایعاتی مبنی بر موفقیت او منتشر می شد، اما بررسی دقیق تر همیشه چنین امیدهایی را از بین می برد.
معاصران انیشتین جست‌وجو برای یک نظریه یکپارچه را جستجوی ناامیدکننده، اگر نگوییم گمراه، می‌دانستند.
در مقابل، دغدغه اصلی فیزیکدانان نظری از دهه ۱۹۲۰ به بعد بودمکانیک کوانتومی – چارچوب در حال ظهور برای توصیف فرآیندهای اتمی و زیر اتمی. ذرات در این مقیاس ها دارای چنان جرم بسیار ریزی هستند که گرانش اساساً در برهمکنش آنها بی ربط است، و بنابراین برای چندین دهه محاسبات مکانیک کوانتومی عموماً اثرات نسبیتی عام را نادیده می گرفتند. در عوض، در اواخر دهه ۱۹۶۰ تمرکز بر نیروی متفاوتی بود – نیروی قوی ، که پروتون‌ها و نوترون‌های درون هسته‌های اتمی را به هم متصل می‌کند.گابریل ونزیانو، نظریه‌پرداز جوانی که در سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای ( سرن ) کار می‌کند، در سال ۱۹۶۸ با درک این موضوع که یک فرمول ۲۰۰ ساله،تابع بتا اویلر، قادر به توضیح بیشتر داده‌های مربوط به نیروی قوی بود که سپس در شتاب‌دهنده‌های ذرات مختلف در سراسر جهان جمع‌آوری می‌شد. چند سال بعد، سه فیزیکدان -لئونارد ساسکیند از دانشگاه استنفورد ،هولگر نیلسن از موسسه نیلز بور ویوچیرو نامبو از دانشگاه شیکاگو – به طور قابل توجهی بینش ونزیانو را با نشان دادن اینکه ریاضیات نهفته در طرح پیشنهادی او، حرکت ارتعاشی رشته‌های کوچک انرژی را که شبیه رشته‌های ریز ریسمان هستند، تقویت کرد و نام تئوری ریسمان را الهام‌بخش کرد . به طور کلی، این تئوری پیشنهاد می‌کند که نیروی قوی به رشته‌هایی است که ذرات متصل به نقاط انتهایی رشته‌ها را به هم متصل می‌کنند.
پیش بینی ها و مشکلات نظری
نظریه ریسمان یک پیشنهاد به طور شهودی جذاب بود، اما در اواسط دهه ۱۹۷۰، اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر نیروی قوی از پیش‌بینی‌های آن منحرف شد، و باعث شد اکثر محققان به این نتیجه برسند که نظریه ریسمان هیچ ارتباطی با جهان فیزیکی ندارد ، صرف نظر از اینکه چقدر ظریف ریاضیات باشد. تئوری. با این وجود، تعداد کمی از فیزیکدانان به دنبال نظریه ریسمان ادامه دادند. در سال ۱۹۷۴جان شوارتز از موسسه فناوری کالیفرنیا وجوئل شرک از École Normale Supérieure و به طور مستقل، Tamiaki Yoneya از دانشگاه هوکایدو به یک نتیجه بنیادی رسیدند . آنها پیشنهاد کردند که یکی از پیش‌بینی‌های ظاهراً شکست‌خورده نظریه ریسمان – وجود ذره‌ای بدون جرم خاص که هیچ آزمایشی برای مطالعه نیروی قوی با آن مواجه نشده بود – در واقع شواهدی از وحدتی بود که اینشتین پیش‌بینی کرده بود.
مسابقه بریتانیکا
فیزیک و حقوق طبیعی
اگرچه هیچ کس در ادغام نسبیت عام و مکانیک کوانتومی موفق نبوده است، کار مقدماتی نشان داده است که چنین اتحادی دقیقاً به ذره بی جرم پیش بینی شده توسط نظریه ریسمان نیاز دارد. برخی از فیزیکدانان استدلال کردند که نظریه ریسمان، با قرار دادن این ذره در ساختار بنیادی خود، قوانین بزرگ ( نسبیت عام ) و قوانین کوچک ( مکانیک کوانتومی ) را متحد کرده است. این فیزیکدانان معتقد بودند که به جای اینکه صرفاً توصیفی از نیروی قوی باشد، نظریه ریسمان به عنوان گامی حیاتی به سوی نظریه یکپارچه انیشتین، نیاز به تفسیر مجدد دارد .
این اعلامیه به طور جهانی نادیده گرفته شد. نظریه ریسمان قبلاً در اولین تجسم خود به عنوان توصیف نیروی قوی شکست خورده بود، و بسیاری احساس می کردند که بعید است که اکنون به عنوان راه حلی برای یک مشکل دشوارتر پیروز شود. این دیدگاه با رنج نظریه ریسمان از مشکلات نظری خود تقویت شد. برای یکی، برخی از معادلات آن نشانه هایی از ناسازگاری را نشان دادند. برای دیگری، ریاضیات نظریه ایجاب می کرد که جهان نه فقط سه بعد فضایی تجربه مشترک، بلکه شش بعد دیگر (در مجموع نه بعد مکانی یا در مجموع ده بعد فضا-زمان ) را داشته باشد.
ابعاد و ارتعاشات
به دلیل این موانع، تعداد فیزیکدانانی که روی این نظریه کار می کردند به دو نفر کاهش یافت – شوارتز ومایکل گرین از کالج کوئین مری ، لندن – در اواسط دهه ۱۹۸۰. اما در سال ۱۹۸۴ این دو نظریه پرداز سرسخت ریسمان به موفقیت بزرگی دست یافتند. از طریق یک محاسبات قابل توجه، آنها ثابت کردند که در نهایت معادلات نظریه ریسمان سازگار هستند. زمانی که خبر این نتیجه در سراسر جامعه فیزیک منتشر شد ، صدها محقق آنچه را که روی آن کار می کردند کنار گذاشتند و توجه کامل خود را به نظریه ریسمان معطوف کردند.
در عرض چند ماه، چارچوب یکپارچه نظریه ریسمان شکل گرفت. به همان اندازه متفاوتالگوهای ارتعاشی یک سیم ویولن نت های مختلف موسیقی را می نوازند، ارتعاشات مختلف رشته های ریز در تئوری ریسمان تصور می شد که ذرات مختلف طبیعت را تولید می کند. طبق این تئوری، ریسمان‌ها به قدری کوچک هستند که به نظر می‌آیند نقطه‌ای هستند – همانطور که مدت‌ها تصور می‌شد ذرات هستند – اما در واقع طول آنها (حدود ۱۰ تا ۳۳ سانتی‌متر ) است. جرم و بار یک ذره با نحوه ارتعاش یک رشته تعیین می شود. به عنوان مثال، نظریه ریسمان فرض می کند که
یک الکترون رشته ای است که تحت یک الگوی ارتعاشی خاص قرار می گیرد. یک کوارک به عنوان رشته ای تصور می شود که تحت یک الگوی ارتعاشی متفاوت قرار می گیرد. فیزیکدانان استدلال کردند که در میان الگوهای ارتعاشی، ذراتی که با آزمایش برای برقراری ارتباط بین نیروهای طبیعت یافت می شوند، بسیار مهم است. بنابراین، تئوری ریسمان به عنوان اتحاد جست و جوی همه نیروها و همه ماده ها پیشنهاد شد.
شش بعد فضایی اضافی مورد نیاز نظریه ریسمان چیست؟ به دنبال پیشنهادی که در دهه ۱۹۲۰ توسط تئودور کالوزا از آلمان و اسکار کلاین از سوئد ارائه شد، نظریه پردازان ریسمان تصور کردند که ابعاد در دو نوع مجزا هستند. مانند طول باز شده یک شلنگ بلند باغچه، ابعاد می تواند بزرگ و به راحتی قابل مشاهده باشد. اما مانند دور کوتاه‌تر و دایره‌ای شلنگ باغچه، ابعاد نیز می‌تواند بسیار کوچکتر و تشخیص آن دشوارتر باشد. این امر با تصور اینکه سطح مقطع دایره ای شلنگ باغچه کوچکتر شده است، کمتر از آنچه با چشم غیر مسلح دیده می شود، آشکارتر می شود، و یک ناظر معمولی را گمراه می کند که فکر کند شلنگ باغچه تنها یک بعد دارد، طول آن. به طور مشابه، طبق نظریه ریسمان، سه بعد تجربه مشترک بزرگ و آشکار هستند ، در حالی که شش بعد دیگر آنقدر کوچک مچاله شده اند که تا کنون از تشخیص طفره رفته اند.
در طول دهه از ۱۹۸۴ تا ۱۹۹۴، بسیاری از فیزیکدانان نظری تلاش کردند تا با توسعه این چارچوب انتزاعی و کاملاً ریاضی به یک نظریه عینی و پیش بینی کننده طبیعت، به وعده نظریه ریسمان جامه عمل بپوشانند. از آنجا که اندازه بی نهایت کوچک رشته ها مانع از تشخیص مستقیم آنها شده است، نظریه پردازان به دنبال استخراج مفاهیم غیرمستقیم این نظریه هستند که ممکن است قابل آزمایش باشد. در این راستا، ابعاد اضافی نظریه ریسمان یک مانع بزرگ به اثبات رسیده است. تصور این ابعاد اضافی به عنوان کوچک و پنهان، توضیح معقولی برای فقدان ظاهری آنها است. با این وجود، هندسه دقیق آنها برای ارائه پیش‌بینی لازم است. دلیل آن این است که رشته ها آنقدر کوچک هستند که در ابعاد کوچک اضافی می لرزند. مطالعات نشان داد که همان‌قدر که شکل و اندازه یک بوق فرانسوی بر الگوهای ارتعاشی جریان‌های هوایی که از طریق ساز می‌پیچد تأثیر می‌گذارد، شکل و اندازه دقیق ابعاد اضافی بر نحوه ارتعاش سیم‌ها تأثیر می‌گذارد. و از آنجایی که ارتعاشات رشته ها مقادیری مانند جرم ذرات و بارها را تعیین می کند، پیش بینی نیاز به دانش شکل هندسی ابعاد اضافی دارد. متأسفانه، معادلات نظریه ریسمان به ابعاد اضافی اجازه می‌دهد تا اشکال هندسی مختلفی به خود بگیرند و استخراج پیش‌بینی‌های قابل آزمایش قطعی را دشوار می‌سازد.
تئوری M و مکاتبات AdS/CFT
در اواسط دهه ۱۹۹۰، این موانع و موانع دیگر دوباره صف نظریه پردازان ریسمان را از بین بردند. اما در سال ۱۹۹۵ موفقیت دیگری این رشته را دوباره تقویت کرد .ادوارد ویتن از مؤسسه مطالعات پیشرفته، با تکیه بر مشارکت‌های بسیاری از فیزیکدانان دیگر، مجموعه جدیدی از تکنیک‌ها را پیشنهاد کرد که معادلات تقریبی را که تاکنون تمام کارها در تئوری ریسمان بر آنها استوار شده بود، اصلاح می‌کرد. این تکنیک‌ها به آشکار شدن تعدادی از ویژگی‌های جدید نظریه ریسمان کمک کردند، از جمله درک این نکته که این نظریه دارای شش بعد فضایی نیست، بلکه هفت بعد فضایی اضافی است. معادلات دقیق تر، علاوه بر ریسمان، اجزای تشکیل دهنده نظریه ریسمان را نیز نشان می دهد – اجسام غشایی با ابعاد مختلف، که مجموعاً نامیده می شوند.برانز . در نهایت، تکنیک‌های جدید ثابت کردند که نسخه‌های مختلف نظریه ریسمان که در دهه‌های قبل توسعه یافته‌اند، اساساً همه یکسان هستند. نظریه پردازان این اتحاد نظریه های ریسمان را که قبلاً متمایز بودند، با نامی جدید، نظریه M می نامند، که معنای M تا زمانی که نظریه به طور کامل درک شود به تعویق افتاده است.
پیشرفت دیگری در نظریه ریسمان در سال ۱۹۹۷ اتفاق افتاد کهخوان مالداسنا از دانشگاه هاروارد نظریه میدانی ضد سیتر/همنوایی را کشف کرد .AdS/CFT ) مکاتبات. مالداسینا دریافت که یک نظریه ریسمان که با یک محیط خاص عمل می کند (شامل فضا-زمان معروف به فضای ضد دی سیتر) معادل یک نوع نظریه میدان کوانتومی است که در محیطی با یک بعد فضایی کمتر عمل می کند. ثابت شده است که این یکی از عمیق‌ترین اکتشافات در نظریه ریسمان است که پیوندی قدرتمند با روش‌های مرسوم‌تر نظریه میدان کوانتومی ایجاد می‌کند ، یک فرمول ریاضی دقیق از نظریه ریسمان در محیط‌های خاص ارائه می‌کند و هزاران مطالعه فنی بیشتر را الهام‌بخش می‌کند.
امروزه درک بسیاری از جنبه های نظریه ریسمان هنوز در مرحله شکل گیری است. محققان می‌دانند که، اگرچه پیشرفت‌های قابل‌توجهی در طول پنج دهه گذشته صورت گرفته است، اما در مجموع کار با توسعه تکه‌ای آن سنگینی می‌کند، و اکتشافات تدریجی مانند قطعات یک پازل به هم متصل شده‌اند . اینکه قطعات به‌طور منسجمی با هم تناسب دارند، قابل توجه است، اما تصویر بزرگ‌تری که آنها پر می‌کنند – اصل اساسی زیربنای این نظریه – مرموز باقی می‌ماند. به همان اندازه ضروری، این نظریه هنوز توسط مشاهدات پشتیبانی نشده است و از این رو یک ساختار کاملاً نظری باقی می ماند.
ابرتقارن و امضای کیهانی
یکی از کیفیت های ضروری نظریه ریسمان به عنوان شناخته شده استابرتقارن، یک ویژگی ریاضی است که به هر گونه ذره شناخته شده نیاز دارد تا یک گونه ذره شریک به نامسوپر شریک (این ویژگی به دلیل نظریه ریسمان است که اغلب به عنوان نظریه ابر ریسمان شناخته می شود.) تا کنون، هیچ ذره ابر شریکی به طور تجربی شناسایی نشده است، اما محققان معتقدند که این ممکن است به دلیل وزن آنها باشد: آنها سنگین تر از همتایان شناخته شده خود هستند و به ماشینی در حداقل به اندازهبرخورد دهنده بزرگ هادرون درسرن آنها را تولید کند. اگر ذرات ابر شریک پیدا شوند، نظریه ریسمان هنوز درست نیست، زیرا نظریه‌های مرسوم‌تر ذرات نقطه‌ای نیز با موفقیت ابر تقارن را در ساختار ریاضی خود گنجانده‌اند. با این حال، کشف ابرتقارن یک عنصر اساسی نظریه ریسمان را تایید می‌کند و شواهدی را ارائه می‌دهد که این رویکرد برای یکسان سازی در مسیر درستی است.
حتی اگر این آزمایش‌های مبتنی بر شتاب‌دهنده بی‌نتیجه باشند، راه دیگری وجود دارد که ممکن است روزی نظریه ریسمان آزمایش شود. فیزیک نظریه ریسمان ممکن است از طریق تأثیر آن بر اولین، شدیدترین لحظات جهان ، کمرنگ شده باشد.امضاهای کیهانی – به عنوان مثال، به شکل امواج گرانشی یا الگوی خاصی از تغییرات دما در تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی – که ممکن است توسط نسل بعدی تلسکوپ‌ها و آشکارسازهای ماهواره‌ای دقیق قابل مشاهده باشد. اگر نظریه کوچکترین جزء میکروسکوپی ماده از طریق مشاهدات بزرگترین قلمروهای نجومی کیهان تأیید شود، نتیجه مناسبی برای تلاش انیشتین برای اتحاد خواهد بود .
