مباني فكري انقلاب ها در فيزيك - پوپر

[hasti-m]

: پوپر مي گويد: راه درس گرفتن از تجربه، انجام مشاهدات مكرر نيست. سهم تكرار مشاهدات در قياس باسهم انديشه هيچ است. بيشتر آنچه كه مي آموزيم با كمك مغز است. چشم و گوش نيز اهميت دارند، ولي اهميتشان بيشتر در انديشه هاي غلطي است كه مغز يا عقل پيش مي نهند. بر همين اساس، با استقراءگرايان مخالفت ورزيده و استقراء را اسطوره‌اي بي بنياد معرفي كرده است. پوپر با بيان اين مطلب كه نظريات همواره مقدم بر مشاهدات هستند طرح نويني را در عرصة روش شناسي علوم تجربي بنيان نهاد. طبق نظر وي روش صحيح علمي عبارت است از آنكه يك نظريه به نحو مستمر در معرض ابطال قرار داده شود. بنابراين يك نظريه براي آنكه قابل قبول باشد بايد بتواند از بوتة آزمونهايي كه براي ابطال آن طراحي شده‌اند، سر بلند بيرون بيايد. پوپر مصرانه ندا سر مي دهد كه بگذاريد نظريه ها بجاي انسانها بميرند . پوپر با ارائه ي نظريه ي ابطال پذيري تلاش كرد مرز بين نظريه هاي علمي و غير علمي را مشخص كند. وي چنين بيان مي كند. علمي بودن هر دستگاه، در گرو اثبات پذيري به تمام معناي آن نيست، بلكه منوط به اين است كه ساختمان منطقيش چنان باشد كه رد آن به كمك آزمونهاي تجربي ميسر باشد. به عبارت ديگر از ديدگاه پوپر نظريه هاي علمي اثبات پذير نستند، بلكه ابطال پذيرند . پوپر با اين ديدگاه به مخالفت با تلقي‌هاي رايج از علم پرداخت و بيان كرد كه علم و نظريه‌هاي علمي هيچگاه از سطح حدس فراتر نمي‌روند و آنچه كه منتهي به پيشرفت علم مي‌شود سلسله‌اي از حدسها و ابطالها مي‌باشد. پوپر تاكيد مي كند براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد.
انديشمندان بسياري چون برونو و گاليله با مشكلات و مصايب طاقت فرسايي دسته و پنجه نرم كردند تا روش استقرايي در جهان علم نهادينه گردد، اما در قرن بيستم روش استقرايي جاذبه دوران رنسانس خود را از دست داد. هرچند استقرا نفي نشد، اما فيلسوفان علمي قرن بيستم، در تكاپو بودند تا روش هاي بهتري را جايگزين آن كنند. و اين سير منطقي تكامل انديشه در طول تاريخ حيات انسان است. در فلسفه ي علم قرن بيستم، دو ديدگاه از بقيه ديدگاه ها بيشتر مورد توجه واقع شد. يكي ديدگاه ابطال پذيري پوپر بود و ديگري نظزيه انقلاب هاي علمي كوهن. كوهن به يك چرخش تاريخي تكيه مي كند و معتقد مي شود كه علم يك سيستم پوياست و به جاي معرفت شناسي علم به جامعه شناسي علم توجه مي كند. وي نشان داد كه علم تكامل تدريجى به سمت حقيقت ندارد بلكه دستخوش انقلاب هاى دوره اى است كه او آن را تغيير پارادايم مى نامد. پارادايم يكى از مفاهيم كليدى كوهن است او معتقد است پارادايم (نظام) يك علم تا مدت هاى مديد تغيير نمى كند و دانشمندان در چارچوب مفهومى آن سرگرم كار خويش هستند. اما دير يا زود بحرانى پيش مى آيد كه پارادايم را درهم مى شكند و انقلاب علمى به وجود مى آيد كه پس از مدتى، پارادايم جديدى به وجود مى آيد و دوره اى جديد از علم آغاز مى شود. مثال هاى كلاسيك تغيير پارادايم عبارتند از: 1- كار گاليله كه باعث برانداختن فيزيك ارسطويى و ايجاد نسبيت گاليله اى شد 2- كار كپلر كه باعث كشف بيضوى بودن مدار سيارات شد 3- ابداع فيزيك جديد توسط نيوتن 4- نسبيت عام و خاص اينشتين 5- مكانيك جديد كوانتوم كه باعث كنار گذاشتن مكانيك كلاسيك شد.

كوهن در تحلبل خود از مثال جايگزينى تئورى نسبيت اينشتين بجاى تئورى مكانيك نيوتون كه در پى بحران ناشى از آزمابشات مربوط به نور مايكلسون- مورلى بوجود آمده سود جسته است.

اگر نظريه انقلاب هاي علمي كوهن را باور داشته باشيم، از توجه به اين نكته نيز نبايد غافل شد كه زير بناي هر انقلابي را انديشه هاي نو شكل مي دهد> آنگاه بايد با پوپر همصدا شد كه

براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد

انقلاب نسبيت در انديشه هاي اينشتين بارور شد و انقلاب مكانيك كوانتوم از انديشه هاي پلانك سر در آورد

[hasti-m]

تا پايان قرن نوزدهم، فيزيك دان ها بر اين باور استوار بودند كه توانايي فيزيك كلاسيك براي كشف تمام دانستني ها قطعي است و حل مسائل صرفاً محتاج زمان و كوشش كافي خواهد بود. اما علي رغم تلاشهاي پيگير گروه كثيري از دانشمندان برجسته آن زمان، هيچكدام از فرضيات پيشنهادي توفيقي در ارائه يك منحني شدت - فركانس كه منطبق با نتايج آزمايشي باشد به دست نياورد. به طور خلاصه، هيچيك از محاسبات مبتني بر تشعشعات اتمي در امتداد يك محور ممتد فركانس قادر به عرضه منحني صحيح نشد.

درسال 1900، ماكس پلانك فيزيك دان آلماني اعلام كرد كه با فرض يك تشعشع الكترومغناطيسي خفيف (در طول موج يا در فركانس)، منحني فرضي بدست آمده كاملاً با منحني ناشي از آزمايش منطبق خواهد بود. اين رويداد شروع عصر مكانيك كوانتومي را رقم زد. به دليل اينكه پلانك موفق به تعريف انعكاس جسم سياه شد جايزه نوبل فيزيك را درسال 1918 به خود اختصاص داد. قسمتي از توضيحات وي در خطابه اش كه هنگام دريافت جايزه در دوم ژوئن 1920 قرائت كرد، چنين است:

«تلاش من در طول سال ها حل مسئله تقسيم انرژي در طيف معمول تابش حرارت بود. پس از اينكه گوستاو كيرشهوف (1887-1824) نشان داد كه وضعيت تشعشعات حرارتي، در درون يك محفظه كه جداره آن متشكل از ماده اي باشد ساطع كننده و دريافت كننده تشعشعات و واجد دماي يكنواخت، به هيچ وجه وابسته به جنس جداره نيست، وجود يك ارتباط كلي ميان ميزان حرارت با طول موج بدون هيچ دخالتي از نظر جنس ماده ي تشكيل دهنده ي جداره آشكار شد. كشف اين ارتباط شگفت انگيز، اميد فهم عميق تري در مورد رابطه ي انرژي با حرارت، كه در واقع مسئله ي اساسي ترموديناميك را و كلّاً فيزيك مولكولي است، به وجود مي آورد. ...

من در آن زمان، با اميدي، كه امروز قطعاً با تبسمي از جانب شنونده بسيار ساده لوحانه انگاشته خواهد شد، مي انديشيدم كه در صورتي كه قوانين ترموديناميك كلاسيك را به گونه اي كلي طرح كنيم و از فرضيه هاي جزئي پرهيز كنيم، بخش عمده موضوع مورد نظر را در محيط فهم خود در خواهيم آورد و بدين ترتيب به مقصود خود خواهيم رسيد. ...

به موازات اين طرح، طرح هاي ديگري نيز فقدان بخش مهمي كه به گسستي اساسي در زنجيره ي تحليل و فهم كلي پايه هاي مسئله را منجر مي شد، روز به روز آشكارتر مي نمودند.

پس از به دست آوردن فرمول رياضي جديدي براي تعريف تابش، وقت خود را صرف توضيح آن به گونه اي كه با واقعيت فيزيكي تطبيق كند كردم؛ حل اين مشكل طبيعتاً سير فكري مرا تا بررسي ارتباط موجود ميان تئوري بي نظمي يا آنتروپي و تئوري احتمالات پيش برد و نتايجي كه از اين گذر به دست آمد با عقايد بولتزمن هماهنگي كامل داشت. سرانجام پس از چند هفته كه سخت ترين دوره ي كاري زندگيم بود، نور در ظلمت تابيدن گرفت و دورنمايي غير قابل تصور در برابر ديدگانم باز شد. ...

چون [ وجود يك ثابت درقانون تشعشع] نمايانگر حاصل انرژي در زمان است، ... من آنرا به عنوان «كوانتوم اوليه كنش» تعريف كردم. ...

مادامي كه كوانتم مورد نظر بينهايت كوچك در نظر گرفته مي شد ... مشكلي نبود؛ ولي بطور كلي كمبودهاي زيادي در گوشه و كنار تئوري ظاهر مي شد و هر چه ارتعاشات ضعيفتر و سريعتر بودند اين اختلاف بيشتر جلوه مي كرد. طولي نكشيد كه ناكامي هر گونه تلاش آتي براي جبران اين كاستي ها بر من آشكار شد. به نظر مي آمد كه يا كوانتوم كنش يك كمّيت خيالي بيش نيست، و در اين صورت استنتاج قانون تابش در مجموع جز يك برداشت مجازي و يك بازي بي محتوي مبتني بر فرمول هاي بي معني نبوده، و يا قانون تابش بر اساس يك مفهوم فيزيكي واقعي بنا شده، كه در اين صورت كوانتوم كنش بايد نقش مهم و اساسي اي را در فيزيك ايفا كند؛ امري كه كاملا نوين بود و تا كنون از آن آگاهي اي نداشتيم، و به ناچار ما را به مرور مجدد تمامي مفهومات فيزيكي مان كه بر مبناي حساب انفينيتزيمال (بسيار كوچك) لايپنيتز و نيوتن استوار شده بود و حكم به پذيرش زنجيره ي اتصال علل به معلولات مي كرد، وادار مي نمود. آزمايشات رأي به صحت فرض دوم صادر كردند.»

در جايي ديگر، پلانك مي گويد:

«بلافاصله مي كوشيدم تا كوانتم ابتدايي كنش را در قالب تئوري كلاسيك جاي بدهم، اما علي رغم تمام كوشش هايم، ثابتي كه يافته بودم در مقابل تمام كوشش هايم به گونه ي انعطاف ناپذيري مقاومت نشان داد... سعي بر وارد كردن كوانتوم ابتدائي كنش در تئوري كلاسيك، به مدت چند سال كوشش هاي بي حاصل مرا به خود اختصاص داد كه زحمات زيادي را مصروف آن كردم.»

با اينكه منحني فرضي پلانك با منحني اي كه عملا از آزمايشات به دست مي آمد تطبيق كامل داشت، متأسفانه، براي مدّت حداقل 5 سال، فرضيه ي او مبتني بر ماهيت خفيف تابش اتمي، تا سال1905 و چاپ مقاله ي اينشتين و شرح آن بر فرضيه ي تأثيرات فوتوالكتريك، استقبال چنداني نيافت. با اين حال، تئوري پلانك كه وجود دو سطح انرژي اتمي خفيف را براي توضيح تشعشع جرم سياه بيان مي كرد، و همچنين موضوعي كه او در رابطه با قابل شمارش دانستن انرژي متبادل اين اتمها پيشنهاد كرد آغازي بود براي عصر مكانيك كوانتيك.

[hasti-m]

در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان تصور مي كردند به توصيـف كامل گيتي نزديك شده اند. آنان مي پنداشتند كه فضا در همه جا با واسطه اي پيوسته به نام اتر پر شده است. پرتوهاي نور و علائم راديويي، امواجي در اتر بودند، درست همان گونه كه صوت، امواج فشار در هواست. تنها چيزي كه براي تكميل نظريه لازم بود، اندازه گيري دقيق ويژگي هاي كشساني اتر بود؛ پس از تعيين اين ويژگي ها، همه چيز در جاي خود قرار مي گرفت.اما به زودي و به تدريج، مغايرت هايي با انديشه اتر كه تصور مي شد همه جا هست، پديدار شد. انتظار مي رفت نور در اتر با سرعت ثابتي حركت نمــــايد. مثلاً، اگر در جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن كم تر به نظر برسد، و اگر در خلاف جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن بيشتر به نظر آيد. اما به رغم آزمايش هاي متعدد، تلاش به منظور يافتن مدركي براي تغيير سرعت نور در اثر حركت در اتر، ناكام ماند.

دقيق ترين آزمايش ها توسط آلبرت مايكلسون و ادوارد مورلي در سال 1887 در مؤسسه كيس كليولند در اوهايو انجام گرديد. آن ها سرعت نور را در دو باريكه كه نسبت به يكديگر داراي زاويه قائمه بودند، مقايسه نمودند. آن ها چنيـــن استدلال مي كردند كه زمين با چرخش به دور محور خود و گردش به گرد خورشيد، از ميان اتر مي گذرد و سرعت نور در اين دو باريكه بايد متفاوت باشد. اما مايكلسون و مورلي اختلاف روزانه يا سالانه اي ميان دو باريكه نور نيافتند. گويي نور، در هر جهتي كه حركت كني، نسبت به تو با سرعتي ثابت حركت مي كند.

جرج فيتزجرالد و ديويد لورنتز، نخستين كساني بودند كه گفتند اجسامي كه در ميان اتر حركت مي كنند، منقبض مي شوند و ساعت ها كُند مي گردند. اين انقباض و كندشدگي (اتساع) چنان است كه هركسي به هر نحو كه نسبت به اتر، كه فيتزجرالد و لورنتز آن را ماده اي واقعي مي پنداشتند، حركت كند، سرعت ثابتي را براي نور اندازه گيري خواهد نمود.

اما، اين آلبرت اينشتاين بود كه اتر را كناري نهاد و مسئله سرعت نور را يك بار براي هميشه حل كرد. او، در ژوئن 1905، يكي از سه مقاله اي را نوشت كه وي را به عنوان يكي از دانشمندان برجسته جهان معرفي كرد- و در اين راستا دو انقلاب مفهومي را آغاز نمود كه فهم ما را از زمان، فضا و واقعيت تغيير دادند.

در مقاله 1905، اينشتاين نوشت حال كه نمي توان آشكار ساخت كه آيا در اتر حركت مي كنيم يا خير، اصلاً مفهوم اتر زيادي است. در مقابل، اينشتاين از اين اصل آغاز كرد كه قوانين علم بايد به ديده همه ناظراني كه آزادانه حركت مي كنند، يكسان بنمايند. به ويژه، ناظران به هر شيوه اي كه حركت كنند، بايد همه يك سرعت را براي نور اندازه گيري نمايند.

اين، مستلزم رها كردن اين انديشه بود كه كميتي عام موسوم به زمان وجود دارد كه همه ساعت ها اندازه مي گيرند. هر كس، زمان شخصي خود را داشت. ساعت هاي دو نفر در صورتي با هم هماهنگ بودند كه آن دو نسبت به يكديگر در حال سكون باشند و نه اين كه حركت نمايند. اين نكته با چند آزمايش تأييد شد، از جمله آزمايش با ساعت بسيار دقيقي كه دور جهان گردانده شد و سپس با ساعتي كه در محل ساكن مانده بود، مقايسه گرديد. اگر مي خواستيد بيشتر زندگي كنيد، مي توانستيد به سوي شرق پرواز كنيد تا سرعت هواپيما به سرعت چرخش زمين افزوده شود. اما خوردن غذاي هواپيما همان و از ميان رفتن آن كسر بسيار كوچكي از ثانيه كه به عمرتان افزوده مي شد، همان.

اصل موضوعه اينشتاين كه قوانين طبيعت بايد به ديده تمام ناظراني كه در حركت آزاد هستند، يكسان بنمايد، مبناي نظريه نسبيت بود كه از آن رو چنيــــن ناميده مي شود كه حكايت از آن دارد كه فقط حركت نسبي مهم است. زيبايي و سادگي آن براي بسياري از دانشمندان و فيلسوفان متقاعدكننده بود. اما مخالفت هاي بسياري هم به جاي مانده بود. اينشتاين دو مطلق علم قرن نوزدهم را واژگون كرده بود: سكون مطلق كه با اتر نمايش داده مي شد و زمان مطلق يا عامي كه تمام ساعت ها اندازه گيري مي نمودند. مردم مي پرسيدند آيا اين بدان معناست كه معيار اخلاقي مطلقي وجود ندارد، كه همه چيز نسبي است؟

اين ناراحتي در دهه 1920 و 1930 ادامه يافت. هنگامي كه در سال 1921 جايزه نوبل به اينشتاين داده شد، اين امر به دليل كار مهم- اما با معيارهاي اينشتاين، جزئيِ- ديگري بود كه در سال 1905 انجام داده بود. به نسبيت، كه تصور مي رفت بسيار بحث برانگيز است، اشاره اي نشد. هنوز هم عده اي اعتقاد دارند كه اينشتاين اشتباه كرده است. با اين همه، اكنون، جامعه علمي نظريه نسبيت را به طور كامل پذيرفته است و پيش بيني هاي آن در كاربردهاي بيشمار تصديق شده اند.

يكي از نتايج مهم نسبيت، رابطه ميان جرم و انرژي است. اين اصل اينشتاين كه سرعت نور بايد به ديد همه يكسان باشد، نشان مي داد كه هيچ چيز نمي تواند از نور سريع تر حركت نمايد. آن چه روي مي دهد اين است كه با مصرف انرژي براي شتاب دادن به ذره يا سفينه، جرم شيء افزايش مي يابد و شتاب بيشتر دادن به آن را دشوارتر مي سازد. شتاب دادن به ذره تا سرعت نور ناممكن است زيرا به مقداري نامتناهي انرژي نياز دارد. هم ارزي جرم و انرژي به اختصار در معادله مشهور اينشتاين، E=mc2 نشان داده مي شود، كه شايد تنها معادله فيزيك باشد كه حتي مردم كوچه و خيابان هم آن را مي دانند. از جمله نتايج اين قانون آن است كه با شكافت هسته اتم ارانيوم به دو هسته با مجموعِ جرمي كه اندكي كمتر است، مقدار زيادي انرژي رها مي شود.

هرچند نظريه نسبيت به خوبي در چارچوبِ قوانين حاكم بر الكتريسيته و مغناطيس قرار مي گرفت، اما با قانون گرانش نيوتن سازگار نبود. اين قانون مي گفت اگر توزيع ماده را در يك منطقه از فضا تغيير دهيد، تغيير در ميدان گرانشي در هرجاي ديگري در گيتي بلافاصله احساس خواهد شد. اين نه تنها بدان معنا بود كه مي توانيد علائمي با سرعتي بيش از سرعت نور ارسال كنيد (امري كه نسبيت منع مي كرد)، بلكه نيازمند زمان مطلق يا عامي نيز بود كه نسبيت آن را به نفع زمان شخصي يا نسبيتي كنار گذاشته بود.

اينشتاين، در سال 1907 كه هنوز در اداره ثبت اختراعات برن بود، از اين دشواري آگاهي داشت، اما تا سال 1911 كه به دانشگاه آلماني پراگ آمد، تفكر جدي در باره اين مسئله را آغاز نكرده بود. او دريافت كه ميان شتاب و ميدان گرانشي رابطه نزديكي وجود دارد. كسي كه در اتاقكي بسته نشسته است، نمي تواند بگويد آيا در ميدان گرانشي زمين در حال ســـكون است، يا موشكي در فضاي آزاد به او شتاب مي دهد. اگر زمين تخت بود هم مي توانستيد بگوييد سيب به دليل گرانش روي سر نيوتن افتاد و هم مي توانستيد بگوييد سر نيوتن به سيب برخورد كرد، زيرا او و سطح زمين به سوي بالا شتاب مي گرفتند. اما، به نظر نمي رسد كه اين هم ارزي ميان شتاب و گرانش براي زمين كروي چندان مفيد باشد؛ مردم طرف ديگر جهان مي بايست در جهت مخالف شتاب بگيرند، اما در فاصله ثابتي نسبت به ما باقي بمانند.

اينشتاين با بازگشت به زوريخ در سال 1912، با توفاني مغزي روبرو گرديد. او دريافت اگر در هندسة واقعيت انعطافي وجود داشته باشد، ممكن است هم ارزي شتاب و گرانش مفيد باشد. اگر جا-گاه -- (فضا-زمان) چيزي كه اينشتاين ابداع نموده بود تا سه بُعد آشناي زمان را با بُعد چهارم يعني زمان، در هم آميزد-- خميده بود و نه آن گونه كه تصور مي شد، تخت، چه؟ تصور وي اين بود كه جرم و انرژي جا-گاه را به شيوه اي كه هنوز مي بايست آن را تعيين نمايد، خميده مي سازند. اشيائي مانند سيب و سياره تلاش مي كنند در جا-گاه در مسير مستقيم حركت نمايند، اما چنين مي نمايد كه ميدان گرانشي مسير آن ها را خميده مي سازد، زيرا جا-گاه خميده است.

اينشتاين با كمك دوست خود. مارسل گروسمان، نظريه فضاها و رويه هاي خميده را مطالعه كرد كه برنارد ريمان چونان بخشي از رياضيات انتزاعي و بدون تصور اين كه به جهان واقعي ربطي داشته باشد، پديد آورده بود. در 1913، اينشتاين و گروسمان مقاله اي نوشتند و در آن اين انديشه را مطرح ساختند كه ما نيروهاي گرانشي را چونان نِمود اين حقيقت مي دانيم كه جا-گاه خميده است. اما به دليل اشتباه اينشتاين (كه انسان بود و جايزالخطا) نتوانستند معادلاتي را بيابند كه انحناي جا-گاه را به جرم و انرژي درون آن مرتبط سازد.

اينشتاين در برلين، به دور از مسائل داخلي و عمدتاً فارغ از جنگ، به كار ادامه داد تا سرانجام در نوامبر 1915، معادلات صحيح را يافت. اينشتاين در بازديد از دانشگاه گوتينگن در تابستان 1915 در باره انديشه هاي خود با ديويد هيلبرت رياضيدان بحث كرده بود و هيلبرت، مستقل از اينشتاين و چند روز پيش از وي، همين معادلات را يافته بود. با اين همه، همان گونه كه هيلبرت اذعان نموده است، افتخار نظريه جديد از آن اينشتاين بود. انديشه وي، مرتبط ساختن گرانش با خميدگي جا-گاه بود.

نظريه جديد جا-گاه خميده را نسبيت عام ناميدند تا آن را از نظريه اوليه بدون گرانش، كه اكنون نظريه نسبيت خاص خوانده مي شد، متمايز سازند. در سال 1919 كه هيئت اعزامي انگليسي به آفريقاي غربي، در حين خورشيدگرفتگي (كسوف)، جابجايي اندكي را در موضع ستارگان نزديك خورشيد رصد كردند، اين نظريه به طرزي شگفت تأييد شد. همان گونه كه اينشتاين پيشبيني نموده بود، نور اين ستارگان با عبور از كنار خورشيد، خميده مي شد. اين شاهدي است مستقيم بر آن كه فضا و زمان خميده اند، يعني بزرگترين تغييري كه از زماني كه اقليدس در حدود 300 پيش از ميلاد مباني خود را نوشت، در درك ما از عرصه اي كه در آن زندگي مي كنيم، پديد آمده است.

نظريه نسبيت عام اينشتاين، فضا و زمان را از زمينه منفعلي كه رويدادها در آن روي مي دهند به شركت كنندگان فعالي در ديناميك كيهان تبديل نمود. اين، به مشكل بزرگي منتهي شد كه در انتهاي قرن بيستم، هنوز در پيشاني فيزيك قرار دارد. جهان سرشار از ماده است و ماده جا-گاه را چنان خميده مي سازد كه اجسام به سوي يكديگر سقوط مي كنند. اينشتاين دريافت كه معادلات وي براي توصيف جهاني كه در طول زمان تغيير نمي كند، جوابي ندارند. به جاي رها كردن جهان ايستا و جاويد، كه در آن زمان وي و اغلب مردم ديگر بدان باور داشتنـــد، معادلات را با افزودن جمله اي به نام ثابت كيهاني تغيير داد كه فضا را در جهت ديگر چنـــــان خميده مي ساخت كه اجسام از هم دور شوند. اثر رانشي ثابت كيهاني، اثر كششي ماده را خنثي مي نمود و جهاني را ممكن مي ساخت كه تا ابد به جاي خود باقي است.

معلوم شد كه اين يكي از بزرگترين فرصت هاي از دست رفته فيزيك نظري بوده است. اگر اينشتاين به همان معادلات اصلي خود وفادار مانده بود، مي توانست پيش بيني نمايد كه جهان بايد يا در حال انقباض باشد يا در حال انبساط. تا دهه 1920، كه رصدهايي با تلسكوپ 100 اينچي مونت ويلسون انجام گرفت، امكان جهان وابسته به زمان جدي گرفته نشد. اين رصدها نشان دادند هرچه كهكشان ها از ما دورتر باشند، سريعتر دور مي شوند. به عبارت ديگر، جهان در حال انبساط است و فاصله ميان دو كهكشان با گذشت زمان به طرز يكنواخت افزايش مي يابد. اينشتاين، بعدها، ثابت كيهاني را بزرگترين اشتباه عمر خود خواند.

پس از جنگ جهاني دوم به متفقين اصرار كرد براي مهار بمب اتمي، حكومتي جهاني برقرار سازند. در سال 1952 رياست جمهوري دولت جديد اسراييل به وي پيشنهاد شد، اما آن را نپذيرفت. زماني نوشته بود سياست امري است لحظه اي در حالي كه معادله به ابديت تعلق دارد. بهترين گورنوشت و يادمان براي او، معادلات نسبيت عام است.

جهان در طول 100 سال گذشته بسيار بيش از هر قرن ديگري در طول تاريخ تغيير كرده است. دليل اين امر نه سياسي است و نه اقتصادي، بلكه فناورانه است- فناوري هايي كه مستقيماً از پيشرفت هاي علوم پايه سرچشمه گرفته اند. بديهي است كه براي اين پيشرفت ها، نماينده اي بهتر از اينشتاين، مرد قرن مجله تايم، وجود ندارد.

[hasti-m]

نقش متقابل رياضيات و فيزيك

برخي از متفكرين، رياضيدان ها را دانشمند مى دانند، چون برهان هاى رياضى را معادل با آزمايش هاى تجربى مى گيرند، اما برخى ديگر رياضى را علم نمى شناسند. آنها استدلال مى كنند كه نظريه ها و فرضيه هاى رياضى قابل آزمون تجربى نيست. چه رياضى را “علم” بدانيم يا ندانيم، نكته مهم اين است كه رياضى براى علم ضرورى است. مشاهدات جمع آورى شده در علوم تجربى و سنجش آنها نيازمند استفاده از رياضيات است. حساب احتمالات و آمار و حساب ديفرانسيل و انتگرال، شاخه هايى از رياضيات هستند كه در علوم تجربى از آنها استفاده مى شود. رياضيات در واقع ابزارى مفيد براى توصيف و شناخت جهان است.

هيچ دانشي به اندازه ي فيزيك از رياضيات بهره نبرده و در عين حال هيچ دانشي مانند فيزيك در توسعه ي رياضيات نقش نداشته است. قوي ترين و كاربردي ترين شاخه هاي رياضي نظير حساب ديفرانسيل و آناليز برداري توسط فيزيكدانان ابداع شده يا توسعه يافته است. اما تحول هيچ بخشي از رياضيات مانند هندسه متاثر از كشفيات فيزيكي نبوده است. هرچند برخي از رياضي دانان، رياضيات را يك دانش مجرد و انتزاعي مي دانند كه مستقل از پديده هاي فيزيكي قابل بحث است، اما ذهنيت بانيان آن متاثر از عينيت فيزيكي بوده است. قرنها قبل از آنكه فيثاغورث قضيه ي معروف خود را ارائه كند، اهالي بين النحرين آن را بكار مي بردند. قرنها پيش از اقليدس براي ساختن اهرام مصر از اصول هندسه ي اقليدسي استفاده شده است. صورت بندى «اقليدس» از هندسه تا قرن نوزدهم پررونق ترين كالاى فكرى بود و پنداشته مى شد كه نظام اقليدس يگانه نظام هندسي در طبيعت است

در قرن نوزدهم دو رياضيدان بزرگ به نام «لباچفسكى» و «ريمان» دو نظام هندسى را صورت بندى كردند كه هندسه را از سيطره اقليدس خارج مى كرد. هندسه اقليدسى مدلى براى ساختار نظريه هاى علمى بود و نيوتن و ديگر دانشمندان از آن پيروى مى كردند. هندسه اقليدسى بر پنج اصل موضوعه استوار است و قضاياى هندسه با توجه به اين پنج اصل اثبات مى شوند. اصل موضوعه پنجم اقليدس مى گويد: «به ازاى هر خط و نقطه اى خارج آن خط، يك خط و تنها يك خط به موازات آن خط مفروض مى تواند از آن نقطه عبور كند.» هندسه «لباچفسكى» و هندسه «ريمانى» اين اصل موضوعه پنجم را مورد ترديد قرار دادند. در هندسه «ريمانى» ممكن است خط صافى كه موازى خط مفروض باشد از نقطه مورد نظر عبور نكند و در هندسه «لباچفسكى» ممكن است بيش از يك خط از آن نقطه عبور كند. با اندكى تسامح مى توان گفت اين دو هندسه منحنى وار هستند. بدين معنا كه كوتاه ترين فاصله بين دو نقطه يك منحنى است.

هندسه اقليدسى فضايى را مفروض مى گيرد كه هيچ گونه خميدگى و انحنا ندارد. اما نظام هندسى لباچفسكى و ريمانى اين خميدگى را مفروض مى گيرند. (مانند سطح يك كره) همچنين در هندسه هاى نااقليدسى جمع زواياى مثلث برابر با 180 درجه نيست. (در هندسه اقليدسى جمع زواياى مثلث برابر با 180 درجه است.) ظهور اين هندسه هاى عجيب و غريب براى رياضيدانان جالب توجه بود. اما اهميت آنها وقتى روشن شد كه نسبيت عام اينشتين توسط بيشتر فيزيكدانان به عنوان جايگزينى براى نظريه نيوتن از مكان، زمان و گرانش پذيرفته شد. چون صورت بندى نسبيت عام اينشتين مبتنى بر هندسه «ريمانى» است. در اين نظريه هندسه زمان و مكان به جاى آن كه صاف باشد منحنى است. اينشتين براى تبيين حركت نور از هندسه نااقليدسى استفاده كرد. بدين منظور هندسه «ريمانى» را برگزيد.

اينشتين معتقد بود واقعيات هندسه ريمانى را اقتضا كرده اند. نور بر اثر ميدان هاى گرانشى خميده شده و به صورت منحنى در مى آيد يعنى سير نور مستقيم نيست بلكه به صورت منحنى ها و دايره هاى عظيمى است كه سطح كرات آنها را پديد آورده اند. نور به سبب ميدان هاى گرانشى كه بر اثر اجرام آسمانى پديد مى آيد خط سيرى منحنى دارد. براساس نسبيت عام نور در راستاى كوتاه ترين خطوط بين نقاط حركت مى كند اما گاهى اين خطوط منحنى هستند چون حضور ماده موجب انحنا در مكان - زمان مى شود.

در نظريه نسبيت عام گرانش يك نيرو نيست بلكه نامى است كه ما به اثر انحناى زمان _ مكان بر حركت اشيا اطلاق مى كنيم. آزمون هاى عملى ثابت كردند كه شالوده عالم نااقليدسى است و شايد نظريه نسبيت عام بهترين راهنمايى باشد كه ما با آن مى توانيم اشيا را مشاهده كنيم. اما مدافعين هندسه اقليدسى معتقد بودند كه به وسيله آزمايش نمى توان تصميم گرفت كه ساختار هندسى جهان اقليدسى است يا نااقليدسى. چون مى توان نيروهايى به سيستم مبتنى بر هندسه اقليدسى اضافه كرد به طورى كه شبيه اثرات ساختار نااقليدسى باشد. نيروهايى كه اندازه گيرى هاى ما از طول و زمان را چنان تغيير دهند كه پديده هايى سازگار با زمان - مكان خميده به وجود آيد. اين نظريه به قراردادگرايى مشهور است كه نخستين بار از طرف رياضيدان و فيزيكدان فرانسوى «هنرى پوانكاره» ابراز شد

[hasti-m]

فيزيك مدرن و عقل سليم

فيزيك مهمنرين عرصه تحولات علمى فرن بيستم را تشكيل مى داد. طرح فرضيه نسبيت در ابنداى اين قرن توسط آلبرت اينشتين معناى جديدى به علم فيزيك داد. ديگر زمان و مكان بعنوان دو موجود بيگانه از هم به حيات خود پايان دادند و ديوار چينى ايكه ماده و انرژى را از هم جدا مى كرد، فرو ريخت. فيزيك از اين طريق نگرش نوينى از دنياى بى نهايت بزرگ هاى نجوم و دنياى بى نهايت كوچك هاى اتم تدارك ديد.

مكانيك كوانتومى جديد مى گويد كه وضعيت هر دستگاهى از ذرات، كاملاً با تابع موج اش مشخص مى شود اما اين تابع موج، به جاى آنكه، همانند مكانيك كلاسيك محل و سرعت دقيق هر ذره را مشخص سازد، تنها احتمال وقوع ذره در محل هاى خاص، با سرعت هاى خاص را تعيين مى كند، به شرط آنكه اندازه گيرى هاى مناسب انجام گيرد.

فيزيك بعنوان مثبت ترين رشته از علوم طبيعى نشان داد كه حتى عمومي ترين قوانين آن هم، تنها در محدوديت معينى صدق مى كنند.

پيشرفت هاى بعدى فيزيك موجود جديدي به نام اطلاعات را هم به ليست ماده و انرژى افزود. حتى شواهدى وجود دارد كه نشان مي دهد انتقال اطلاعات در ذرات اتمى سريعتر از نور است. اين پديده لزوم مدلى بهنر از نسبيت را آشكار ساخته است، چرا كه نسبيت اساسأ اهميتى براى اطلاعات در مجموعه ى تشكيل دهنده ى جهان قائل نيست.

نسبيت درك جديدي از هندسه مطرح مى كند كه مبانى جهان بينى بظاهر تغيير ناپذير ما را دگرگون مى سازد. يعني در حقيقت اين پيش فرض ها، خود در مجموعه اى از اعتقادات و استدلات فلسفى و علمى پيچيده مى باشند، كه در شرايط بحرانى پوسته شان كنار رفته، و تحجر خود را نشان داده، و نياز به تكامل عاليتر را ضرورى مي سازند.

بعنى درك ما از خصلت جهان، ساختمان جهان، مبدا و پايان جهان بصورت پيش فرضى ( گاه ناآگاهانه) در فعاليت هاى علمى ما جاى دارد. بر خلاف تصور تجربه گرابان، مطالعه اين مبانى بى مصرف نبوده، بلكه ممكن است كه اسباب دگرگونى هاى بنيادى علوم را فراهم آورد.

تازه بيش از نسبيت مى بايست پيشرفت هاى بعدى در علم فيزيك يعنى نظريه هاي كوانتوم در فيزيك هسته اى را بررسى نمود. اين پيشرفت ها برخى از پايه اى ترين تصورات عقل سليم ما از جهان، نظير عليت را، زير سنوال كشيده اند. عليت كه علت بر معلول تقدم دارد، و نه بر عكس.

در تجربه هاى عادى روزانه معمولأ عليت در رابطه با پديده هاى مادى درك مى شود. در حاليكه در مكانيك كوانتوم رابطه ي علت و معلول را بايد از طريق انتقال اطلاعات مورد بررسي قرار داد. بنابرابن اگر پدبده هاى جهان تركيبى از ماده، انرژى و اطلاعات تلقى شوند، در آنصورت عليت از زوايه يك خاصيت پدبده مورد نظر ممكن است با عليت از زاويه خاصيت ديگر آن در نقطه مقابل هم قرار گيرد. در نتيجه ممكن است كه كل مفهوم متافيزبكى تقدم و تأخر را مجبور شويم در چارچوب ديگرى مطرح كنيم.

فيزيك كوانتوم به ما آموخت كه محدوديت مفاهيم علت و معلول درهر عرصه را نيز درك كنيم و با حدود اين "عمومى ترين" قانون طبيعت نيز آشنا شويم

[hasti-m]

نسبيت و مكانيك كوانتوم

هر ماده‌اي كه بينديشيم در جهان وجود دارد(مردم، هوا، يخ، ستارگان، گازها، ميكروب‌ها، صفحه مانيتور شما) از اجزاء ساختاري بسيار ريزي به‌نام اتم تشكيل شده اند. مي‌دانيم كه اتم‌ها بنوبه خودشان از موجودات كوچكتري به نام ذرات و يك فضاي خالي بسيار بزرگ(در مقايسه با ابعاد اين ذرات) ساخته شده‌اند. همچنين مي‌دانيم كه برخي از ذرات خود از ذرات ريزتري تشكيل شده‌اند.

ذرات مادي را كه همگي مي‌شناسيم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم او به‌نام كلي فرميون‌‌ها مي‌شناسيم.

فرميون‌ها يك سيستم پيام‌رساني دارند كه بين آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌هاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتي در آن‌ها مي‌شود. سيستم پيام‌رساني انسان‌ها را در نظر بگيريد. كبوتر نامه‌بر، پست، تلفن و فكس سرويس‌هاي اين سيستم مي‌تانند ناميده شوند. اما همه انسان‌ها از هر 4 سرويس فوق براي رد و بدل كردن پيام بين همديگر استفاده نمي‌كنند.

در مورد ذرات مادي هم سيستم پيام‌رساني وجود دارد كه سرويس‌هاي چهارگانه‌اي دارد. اين سرويس‌ها را نيرو مي‌ناميم. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميون‌ها و در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. اين ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزون Boson ناميده مي‌شوند.

پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون.

گفتيم كه سرويس‌هاي پيام‌رسان 4گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش هست. نيروي گرانش را كه ما را روي زمين نگه مي‌دارد، مي‌توانيم مثل پيامي در نظر بگيريم. حامل اين پيام نوعي بوزون هست كه گراويتون ناميده مي‌شود. گراويتون‌ها حامل پيامي بين ذرات اتم‌هاي بدن ما و ذرات اتم‌هاي زمين هستند و به ذرات مذكور مي‌گويند كه به‌هم نزديك شوند.

نيروي دوم يا نيروي الكترومغناطيس پيام‌هايي هست كه به‌وسيله بوزون‌هايي به‌نام فوتون بين پروتون‌هاي درون هسته يك اتم و الكترون‌هاي نزديك به آن، يا بين الكترون‌ها رد و بدل مي‌شوند. اين پيام‌ها موجب مي‌شوند كه الكترون‌ها دور هسته گردش كنند. در مقياس‌هاي بزرگ‌تر از اتم فوتونها خودشان را بصورت نور نشان مي‌دهند. سومين سرويس پيام‌رسان نيروي قوي است كه موجب مي‌شود هسته اتم يكپارچگي خود را حفظ كند و چهارمين سرويس نيروي ضعيف است كه موجب راديواكتيويته مي‌شود.

فعاليت اين 4 نيرو باعث رد و بدل شدن پيام بين كليه فرميون‌هاي جهان و برهمكنش بين آنها مي‌شود. بدون اين 4 نيرو هر فرميون اگر هم وجود داشته باشد در جدايي به‌سر مي‌برد، بدون اين كه بتواند با آنها مرتبط شود و بر آنها تاثير بگذارد. بزبان ساده‌تر:

اگر چيزي بوسيله اين چهار نيرو روي ندهد، اتفاقي نخواهد افتاد.

درك كامل اين چهار نيرو به ما امكان مي‌دهد تا اصولي را كه مبناي همه رويدادهاي جهان هست، درك كنيم.

بسياري از كارهاي فيزيك‌دانان قرن بيستم براي آگاهي بيشتر از طرز عمل اين جهار نيروي طبيعي و ارتباط بين آنها انجام شد. در سيستم پيام‌رساني انسان‌ها، ممكن هست به اين موضوع واقف شويم كه تلفن و فكس دو سرويس جداگانه نيستند. بلكه هر دو اجزاي يك سيستم واحدند كه به دو طريق متفاوت جلوه‌گر مي‌شوند. آگاهي از اين واقعيت موجب يگانگي دو سيستم پيام‌رساني خواهد شد. به طريق مشابهي فيزيك‌دان‌ها تا حدودي با موفقيت سعي كردند نوعي يگانگي بين نيروها را استنباط كنند. آنها اميدوار بودند نظريه‌اي بيابند كه در غايت امر هر چهار نيرو را بوسيله يك ابرنيرو توجيه كند. نيرويي كه خودش را به‌گونه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد و نيز موجب يگانگي فرميون‌ها و بوزون‌ها در يك خانواده مي‌شود. فيزيك‌دان‌ها اين نظريه را نظريه يگانگي نام دادند. اين نظريه بايد دنيا را توجيه كند. يعني نظريه همه چيز بايد يك قدم پيش‌تر برود و به اين سوال پاسخ دهد: دنيا در لحظه آغاز قبل از اين كه زماني بگذرد، چگونه بوده است؟

فيزيك‌دان‌ها همين سوال را بزبان خودشان با اين عبارت بيان مي‌كنند كه: شرايط اوليه يا شرايط مرزي در آغاز جهان چه بوده است؟

درك كامل ابرنيرو ممكن هست كه درك شرايط مرزي را هم براي ما امكان‌پذير كند. از طرف ديگر ممكن است كه ضروري باشد كه ما شرايط مرزي را بدانيم تا بتوانيم ابرنيرو را بفهميم. اين دو بطور تنگاتنگي با يكديگر ارتباط دارند و نظريه پردازان هم از هر دو طرف مشغول كار هستند تا به «نظريه همه‌چيز» از منشا آلماني Weltformel دست پيدا كنند.

[hasti-m]

نظريه‌ها

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.

مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت(تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.

يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. قبلاْ ديديم كه شما مي‌توانيد نيرويي كه شما را روي زمين نگه مي‌دارد، مثل تبادل گراويتون‌ها(همان پيام‌رسان‌هاي گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، در نظر بگيريد. در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما چون همه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسيار بغرنج مي‌شود. بي‌نهايت‌هايي حاصل مي‌شوند كه خارج از مفهوم رياضي معنايي ندارند. نظريه‌هاي علم فيزيك واقعاْ نمي‌توانند با اين بي‌نهايت‌ها سر و كار داشته باشند. آن‌ها اگر در نظريه‌هاي ديگر يافت شوند، تئوريسين‌ها به روشي كه آن را ريترماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين باره مي‌گويد: اين كلمه هر چقدر زيركانه باشد، باز من آن را يك روش ديوانه‌وار مي‌نامم. خود او هنگامي كه روي نظريه‌اش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كار مي‌كرد، از اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.

استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش كه هاوكينگ در خطابه لوكاشين خود بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه در آن اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

راه ديگر

از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكار گيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟

همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت (Uncertainty principle) نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ در ادامه خواهيم ديد كه استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به چه نتايج شگرفي دست يافته است.

نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد كـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.

اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم:

1 - فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آن‌ها مقداري عظيم يا مقداري بي‌نهايت از انرژي است.

2 - وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا-زمان مي‌شود.

تركيب اين دو ايده ما را به اين نتيجه مي‌رساند كه كل جهان مي‌بايستي در يك توپ كوچك پيچيده شده باشد. چنين چيزي روي نداده است! بدين‌سان موقعي كه از نظريه‌هاي نسبيت عام و مكانيك كوانتومي توامان استفاده مي‌شود، پيشگويي آن‌ها اشتباه محض است.

نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دو نظريه‌هاي فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترين دستاوردهاي فيزيك در قرن گذشته هستند. از اين دو نظريه نه‌تنها براي هدف‌هاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي، به‌نحوي درخشان استفاده مي‌شود. با وجود اين اگر آن‌ها را با هم در نظر بگيريم، نتيجه همانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است.

[hasti-m]

نقدي بر انديشه هاي هاوكينگ

انصافاٌ هاوكينگ در توضيح مطالب پيچيده و بغرنج فيزيك به زبان ساده مهارت خاصي دارد. بهمين دليل آثار عمومي ايشان از استقبال چشم گيري برخوردار است. علاوه بر آن نام هاوكينگ به دليل در دو كار جالب در مورد سياه چاله ها جاودان خواهد شد. يكي تكينگي و ديگري تبخير سياه چاله ها. اين دو مورد زمينه ي يك بحث فراگير جهاني را بين فيزيكدانان فراهم كرد. هرچند به اعتراف خود هاوكينگ در كتاب تاريچه زمان از فيزيكدانان روسي الهام گرفته بود، اما اين هاوكينگ بود كه با محاسبات و معادلات رياضي توانست توجه فيزيكدانان را به آن جلب كند.

اين نوشته نقدي است بر سخنان هاوكينگ

هاوكينگ:

ذرات مادي را كه همگي مي‌شناسيم. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم و الكترون‌ها كه به دور هسته مي‌چرخند. ذرات مادي اتم رو به‌نام كلي فرميون‌‌ها مي‌شناسيم. فرميون‌ها يك سيستم پيام‌رساني دارند كه بين آن ذرات رد و بدل شده و به راه‌هاي معيني موجب ايجاد تاثير و در نتيجه تغييراتي در آن‌ها مي‌شود. اين سرويس‌ها را نيرو مي‌ناميم. ذراتي وجود دارد كه اين پيام‌ها را بين فرميون‌ها و در برخي موارد حتي بين خود رد و بدل مي‌كنند. اين ذرات پيام‌رسان به‌طور مشخص بوزون ناميده مي‌شوند. پس هر ذره‌اي كه در جهان وجود دارد يا فرميون هست يا بوزون.

نظريه سي. پي. اچ. :

همه ي ذرات اعم از فرميونها و بوزونها از ذرات واحدي تشكيل شده اند كه آن سي. پي. اچ. يا:

CPH, Creation Particle Higgs

مي ناميم. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر اثر دارند و اين اثر بصورت توليد اسپين براي آنها نمودار مي شود. سي. پي. اچ. ها پس از آنكه داراي اسپين شدند، با يكديگر ادغام شده و كوانتومهاي انرژي را به وجود مي آورند. اين كوانتومهاي انرژي در فرايندهاي فيزيكي به زوج هاي ماده و پاد ماده تبديل مي شوند. در واقع بوزونها و فرميونها از ذرات واحدي تشكيل مي شوند كه سي. پي. اچ. ناميده مي شود. اگر ما ديدگاه خود را مورد نيرو و انرژي تغيير دهيم و اين دو را هم ارز بدانيم (كه در حقيقت هم ارز هم هستند) آنگاه مي توانيم دليل تاثير بوزنها بر فرميونها و همچنين تاثير بوزونها را بر يكديگر توضيح دهيم.

هاوكينگ:

گفتيم كه سرويس‌هاي پيام‌رسان 4گانه نيرو ناميده مي‌شوند. يكي از اين نيروها گرانش هست. نيروي گرانش را كه ما را روي زمين نگه مي‌دارد، مي‌توانيم مثل پيامي در نظر بگيريم. حامل اين پيام نوعي بوزون هست كه گراويتون ناميده مي‌شود. گراويتون‌ها حامل پيامي بين ذرات اتم‌هاي بدن ما و ذرات اتم‌هاي زمين هستند و به ذرات مذكور مي‌گويند كه به‌هم نزديك شوند.

نظريه سي. پي. اچ. :

هنگاميكه سي. پي. اچ. داراي اسپين است، گراويتون ناميده مي شود.

هاوكينگ:

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است

مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچ‌گاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت (تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقت بدانيم. با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است.

يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.

اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم. قبلاْ ديديم كه شما مي‌توانيد نيرويي را كه شما را روي زمين نگه مي‌دارد، مثل تبادل گراويتون‌ها(همان پيام‌رسان‌هاي گرانش) بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، در نظر بگيريد. در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما چون همه گراويتونها بين خود نيز رد و بدل مي‌شوند، حل اين مساله از نظر رياضي بسيار بغرنج مي‌شود. بي‌نهايت‌هايي حاصل مي‌شوند كه خارج از مفهوم رياضي معنايي ندارند. نظريه‌هاي علم فيزيك واقعاْ نمي‌توانند با اين بي‌نهايت‌ها سر و كار داشته باشند. آن‌ها اگر در نظريه‌هاي ديگر يافت شوند، تئوريسين‌ها به روشي كه آن را ريترماليزيشن يا بازبهنجارش مي‌نامند، متوسل مي‌شوند. ريچارد فاينمن در اين باره مي‌گويد: اين كلمه هر چقدر زيركانه باشد، باز من آن را يك روش ديوانه‌وار مي‌نامم. خود او هنگامي كه روي نظريه‌اش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كار مي‌كرد، از اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.

استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست. ابرگرانش كه هاوكينز در خطابه لوكاشين خود بدان اشاره كرد و نظريه ابرريسمان كه در ا» اشياء بنيادي جهان، بصورت ريسمان‌هاي نازكي هستند، پيشرفت‌هاي اميدوار كننده‌اي داشته‌اند، اما هنوز مسئله حل نشده است.

نظريه سي. پي. اچ. :

مشكل اصلي در فيزيك اين است كه تلاش مي كنند اين دو نظريه، يعني مكانيك كوانتوم و نسبيت را با يكديگر سازگار سازند. در حاليكه با توجه به اصل هم ارزي نيرو و انرژي نياز به تلاش زيادي نيست تا نسبيت و مكانيك كوانتوم با يكديگر سازگار شوند. در واقع بايستي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را همزمان و با توجه به اصول و قوانين شناخته شده ي علمي كه از نظر تجربي نيز تاييد شده مورد بررسي مجدد قرار داد. براي اينكار بايستي تعريف جديدي از انرژي ارائه داد و با توجه با اين تعريف ساختمان فوتون را تعريف كرد. با چنين نگرشي بينهايت هاي مشكل ساز بسادگي برطرف خواهند شد. بينهايت هاي موجود و مشكل ساز ناشي از نگرش موجود در مكانيك كوانتم به درات است كه ساختمان ذراتي نظير فوتون و الكترون را قابل بررسي نمي داند. ابرريسمانها نيز قادر به ارائه ي راه اساسي نخواهند بود. زيرا در نظريه ريسمانها، يك ريسمان يك واحد بسيار كوچك انرژي است. اما در اين نظريه هم نگرش نويني به انرژي ديده نمي شود. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. كار را با يك نگرش نوين و انقلابي از خود انرژي آغاز مي كند.

هاوكينگ:

راه ديگر

از طرف ديگر اگر ما مكانيك كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است، بكار گيريم، چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟

همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت (Uncertainty principle) نمي‌توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟ در ادامه خواهيم ديد كه استفن‌هاوكينگ در اين زمينه به چه نتايج شگرفي دست يافته است.

سياهچاله‌ها سياه نيستند!

شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم، يكي ديگر هم اضافه كنيم:

فضاي خالي، خالي نيست .

در ادامه خواهيم ديد كه چگونه مي‌توان به اين نتيجه رسيد. فعلا همينقدر بدانيم كه اصل عدم قطعيت بدان معني است كه فضا مملو از ذره و پادذره است!

نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد كـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي يــا تاب‌خوردن فضا-زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.

اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم:

1- فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آن‌ها مقداري عظيم يا مقداري بي‌نهايت از انرژي است.

2- وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا-زمان مي‌شود.

نظريه سي. پي. اچ. :

به جاي آنكه اصل عدم قطعيت را به نسبيت تعميم دهيم، بايد به اين نكته ي بسيار مهم توجه كنيم كه همه ي جهان از كوانتوم ها (انرژي، اتم، ذرات زير اتمي) تشكيل شده اند. بنابراين همان قوانيني را كه بر اين ذرات حاكم است مي توانيم به تمام جهان تعميم دهيم. در نظريه سي. پي. اچ. فضا از سي. پي. اچ. انباشته شده است. سي. پي. اچ. ها روي يكديگر كار انجام مي دهند و كوانتوم هاي انرژي را توليد مي كنند. در مكانيك كوانوتم هيچ توضيحي وجود ندارد كه چرا فضا از فضا از ماده و پاد ماده انباشته شده است و تنها اصل عدم قطعيت مجوز آن را صادر كرده است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. ضمن توضيح كافي براي آن، دليل اينكه چرا در فضا ماده وجود دارد يا فضا به توليد ماده و پاد ماده مي پردازد ارائه مي شود.

همچنين در نسبيت عام با توجه به اصل هم ارزي فضا داراي انحنا است. در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. انحناي فضا كاملاً توجيه شهودي دارد. همين دلايل شهودي و ملموس نشان مي دهد كه فضا باايستي داراي انحنا باشد و ميزان انحناي فضا نيز تابع چگالي سي. پي. اچ. در فضا است.

هاوكينگ:

نسبيت عام و مكانيك كوانتومي هر دو نظريه‌هاي فوق‌العاده خوب و از موفق‌ترين دستاوردهاي فيزيك در قرن گذشته هستند. از اين دو نظريه نه‌تنها براي هدف‌هاي نظري بلكه براي بسياري كاربردهاي عملي، به‌نحوي درخشان استفاده مي‌شود. با وجود اين اگر آن‌ها را با هم در نظر بگيريم، نتيجه همانطور كه ديديم بي‌نهايت‌ها و بي‌معني بودن است. نظريه همه چيز بايد به‌نحوي اين بي‌معنا بودن را حل كند.

نظريه سي. پي. اچ. :

نظريه همه چيز با گذشت سالهاي متمادي و كار مداوم فيزيكدانان روي آن هنوز نتوانسته اين مشكل را حل كند. زيرا همچنانكه گفته شد، بدون توجه به هم ارزي نيرو و انرژي اين مشكل قابل حل نخواهد بود.

ويژگيهاي برجسته نظريه سي. پي. اچ

در اين نظريه بر خلاف نظريه ريسمانها مي توان علت ثابت بودن سرعت نور و مسير منحي شكل نور را در ميدانهاي گرانشي توضيح داد.

در واقع:

نظريه سي. پي. اچ. هر سه نظريه ي مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتومي و نسبيت را پوشش مي دهد.

بسياري از پديدهاي فيزيكي كه نظرات قديمي و حتي نظريه ريسمانها قادر به توضيح آنها نيستند، در نظريه سي. پي. اچ. بسادگي قابل توضيح دادن است.

منشاء زمان و شرايط پيدايش جهان قابل مشاهده (بينگ بنگ) توضيح داده مي شود.

در فيزيك تا به حال همواره از تاثير نيرو بر اجسام صحبت مي شود. نظريه سي. پي. اچ. اولين نظريه اي است كه از تاثير اجسام بر نيرو سخن مي گويد.

نظريه سي. پي. اچ. فيزيك را از حالت يك دانش پيچيده و خشك، به صورت يك دانش ساده و شهودي در آورده است.

از زمان مطرح شدن نظريه ريسمانها به دليل آنكه توان توضيح پديده ها را با همان ده بعدي كه در آغاز بيان كرده بود نداشت، دائم بر تعداد ابعاد آن افزوده مي شود و امروزه تلاش مي شود با بيست و شش بعد به توضيح جهان بپردازد. در حاليكه نظريه سي. پي. اچ. نيازي ندارد ابعاد اضافي را بكار گيرد.

در ساختار كلان حهان همان قانوني حاكم است كه در كوچكترين واحدهاي كميت هاي طبيعت حاكم است. يعني قوانين جهان ميكروسكپي را مي توان به جهان ماكروسكپي تعميم داد و اين كاري است كه نظريه سي. پي. اچ. انجام داده است.

اميد است نظريه ي سي. پي. اچ. بتواند در گسترش بحثهاي علمي در دانشگاه هاي كشور موثر واقع شود. گسترش بحث و تبادل نظر در زمينه هاي علمي مي تواند در نهادينه شدن گفتمان منطقي در جامعه مفيد باشد.