راز ژرف ماده

arezoo — Sat, 19 Jan 2013 06:58:37 +0000

بخش اول

احسان سنایی

احسان سنایی - ژاکوب برونوفسکی (Jacob Bronowski)، ریاضیدان و مورخ علم لهستانی، در آخرین فصل از کتاب خود «عروج انسان»، می‌نویسد: "یکی از اهداف دیرینه علم فیزیک، این بوده که تصویری دقیق از جهان ارائه کند. یکی از بزرگترین کامیابی‌های فیزیک قرن بیستم نیز این بوده که ثابت کرده رسیدن به چنین هدفی غیرممکن است".

فیزیک قرن بیستم را رویهمرفته می‌شود تحت دو عنوان خلاصه کرد: نسبیت عام، و مکانیک کوانتومی. جهانی که به زبان نسبیت عام توصیف می‌شود، درست مثل سطح مواج دریا، یکدست و زیبا و اگر موجی در کار نباشد، آرام و کسالت‌بار است. اما جهان کوانتومی، مثل سطح مواج ساحل است، همیشه پرافت و خیز و متفاوت، حتی هم اگر دریا به قرار همیشه‌اش آرام باشد. اگر بتوان یک سطح صاف و یکدست را هم روی ساحل یافت، کافی‌ست بنشینید و با نگاهی جزئی‌تر، هر دانه شن بی‌شکل و منحصربفردی که به این سطح صاف آرایش بخشیده را تماشا کنید. ما جایی در میانه‌های این ساحل ایستاده‌ایم. از یک طرف امواج کوتاه دریا را می‌بینیم و در آن دوردست، افقی یکدست و صاف؛ و از یک طرف هم امواج نه‌چندان بلند پراکنده روی خاک نرم ساحل و کمی دورترش هم افقی پرافت و خیز و کوهستانی.

فیزیکدانان نیز همین‌گونه‌اند. هرچه به تلسکوپ‌های بزرگتر متوسل می‌شوند و افق‌های دورتری را می‌کاوند، جهان هستی از بار تنوع خود می‌کاهد و بیشتر به یک دریای صاف و کسالت‌بار شباهت پیدا می‌کند. از طرفی هم شتاب‌دهنده‌های غول‌آسا، مثل میکروسکوپ‌های دقیق، پیوسته به تصویر ساده و آشنای‌مان از جهان پیرامون، رنگ تازه‌ای می‌زنند و بر انبوه جزئیاتش می‌افزایند. افقی که در این سوی جهان می‌بینیم، برعکس چیزی که در پشت تلسکوپ پیداست، آشوب خالص است و گویی اصلاً معنی نظم را نمی‌فهمد. یک قرن، فرصت خوبی بوده تا فیزیکدانان راه خود را به سمت هر دو افق بگشایند و در جایی متوقف بشوند. از یک سو کیهان‌شناسان به «اصل کیهان‌شناختی» رسیدند که می‌گوید: جهان در مقیاس‌های بزرگش آنقدر راکد و یکنواخت است که از هر جا و از هر طرفش که بدان بنگریم، شکل مشابهی دارد. اما فیزیکدانان کوانتوم، از سوی دیگر به «اصل عدم قطعیت» رسیدند که می‌گوید: آنقدر جهان کوانتوم آشوبناک است که سرعت و مکان یک ذره را همزمان در آن نمی‌توان سنجید. مشکل اینجا بود که هیچکس نمی‌دانست کدام توصیف به تصویر حقیقی جهان نزدیک‌تر است. مسأله تا جایی پیش رفت که در سال ١٩٢٦، آلبرت اینشتین (واضع اصل کیهان‌شناختی) خطاب به ورنر هایزنبرگ (واضع اصل عدم قطعیت)، گفت: "اینکه چیزی را بتوان مشاهده کرد یا نه، بستگی به نظریه‌ای دارد که به کار می‌بندیم. این، نظریه است که تعیین می‌کند چه چیزی را می‌شود دید".*

ادوین هابل (Edwin Hubble)، دقیقاً همان چیزی را دید که نظریه نسبیت عام می‌گفت: اینکه فضا در حال کش آمدن است. از این کشف، چنین نتیجه شد که جهان روزگاری منبقض‌تر از این بوده که هست؛ آنقدر منقبض که می‌توانسته درون یک اتم جا بشود؛ یعنی همان ابعادی که تحت حکمرانی مکانیک کوانتومی‌ست.

اینشتین درست می‌گفت؛ چراکه سه سال بعد، اخترشناس آمریکایی ادوین هابل (Edwin Hubble)، دقیقاً همان چیزی را دید که نظریه نسبیت عام می‌گفت: اینکه فضا در حال کش آمدن است. از این کشف، چنین نتیجه شد که جهان روزگاری منبقض‌تر از این بوده که هست؛ آنقدر منقبض که می‌توانسته درون یک اتم جا بشود.** یعنی همان ابعادی که تحت حکمرانی مکانیک کوانتومی‌ست. پس اگر قرار باشد نظریه‌ها تعیین کنند که ما چه ببینیم؛ اصولاً آن جهان یکدست و کسالت‌باری که نسبیت عام به توصیفش می‌پردازد نیز باید از پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی حاصل آمده باشد. کافی‌ست اطلاعات اولیه مربوط به آن برهه از عمر جهان را تحویل نظریه کوانتوم بدهیم؛ تا ببینیم آنچه که پیش‌بینی می‌کند، آیا با توصیفات امروزین نسبیت عام همخوانی دارد یا خیر.

ولی مشکل اینجاست که نظریه کوانتوم، باید این اطلاعات اولیه را از نظریه نسبیت عام تحویل بگیرد؛ چراکه مفهوم انفجار بزرگ، خود از زیرشاخه‌های نسبیت است. از این‌رو فیزیکدانان، مدت‌هاست که درصدد ارائه یک ترجمان کوانتومی از نسبیت عام هستند تا بدین‌وسیله پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی راجع به وضعیت فعلی جهان را مورد ارزیابی قرار دهند. این تلاش‌ها، راه به ظهور ده‌ها نظریه گوناگون از قبیل نسخه‌های متنوع نظریه ریسمان، نظریه ام، ابَرگرانش، گرانش کوانتومی حلقوی، کیهان‌شناسی کوانتومی، مهبانگ نوسانی و ... برده‌اند. مفاهیمی مثل ابعاد اضافی، اصل انسان‌محوری (یا آنتروپیک)، اصل تمام‌انگاری (یا هولوگرافیک)، تورم کیهانی، جهان‌های موازی و ابَرجهان نیز از جمله زیرشاخه‌های این نظریات تازه‌وارد به حساب می‌آیند. اما متأسفانه باید اعتراف کرد که این نظریات، هیچکدام‌شان به اثبات قطعی نرسیده‌اند؛ چراکه در واقع پیش‌بینی‌های‌شان اصلاً در بوته آزمایش نمی‌گنجد. مثلاً بخشی از توصیفی که نسبیت عام از مفهوم «فضا» صورت می‌دهد، در حدود ١٠ به توان ١٢٠ برابر از توصیفات کوانتومی فضا تخطی می‌کند و فیزیکدانان، چنین اختلاف سرسام‌آوری را بزرگترین تناقض تاریخ علم فیزیک عنوان کرده‌اند.

در این بین اما می‌توان به نحو دیگری هم به ماجرای اختلاف نسبیت عام و مکانیک کوانتومی نگریست. در پس کلیه نظریات و مفاهیمی که به نام‌شان اشاره شد، این فرض بدیهی نهفته که مکانیک کوانتومی، نظریه‌ای برای توصیف جهان ذرات زیراتمی‌ست، و نسبیت عام هم نظریه‌ای برای توصیف جهان بزرگ‌مقیاس. معلوم است که چیزی جز این نمی‌تواند حقیقت داشته باشد و به‌همین‌‌واسطه هم فیزیکدانان با فرضیه‌پردازی‌هایی که بیشتر رنگ و بوی آزمایش و خطا دارند، در پی پیدا کردن زبان مشترکی برای مرتبط ساختن این دو نظریه اساسی به یکدیگرند. اما چطور می‌شود اگر فرض را بر این بگیریم که مکانیک کوانتومی، صرفاً نظریه‌ای برای توصیف جهان ذره‌ها نیست؛ بلکه در کنار نسبیت عام، می‌تواند توصیفی مکمل از جهان بزرگ‌مقیاس‌مان را نیز ارائه کند؟ در این‌صورت هیچ احتیاجی نیست که اطلاعات اولیه‌ی لازم برای پیش‌بینی ویژگی‌های فعلی کیهان را فقط از نسبیت عام استخراج کرده و تحویل مکانیک کوانتومی بدهیم؛ چراکه می‌توان اطلاعات به‌دست‌آمده از ساختار عینی جهان را مستقیماً در اختیار هر دو نظریه نسبیت عام و کوانتوم نهاد و با گوش سپردن به توصیفات و پیش‌بینی‌های هر دوی‌شان دید آیا پاسخی برای پرسش‌های اساسی‌مان یافت خواهد شد؟ یعنی همان پرسش‌هایی که قرن‌هاست فیزیکدانان در پی پیدا کردن پاسخی متقاعدکننده برایشان هستند.

پروفسور دیوید لیزر (David Layzer)، استاد بازنشسته کیهان‌شناسی دانشگاه هاروارد، با چنین فرضی نشان داده که بعضی از این معماها واقعاً حل خواهند شد. تصویر جهان‌مان ساده‌تر می‌شود و دیگر نیازی به فرضیه‌پردازی‌های فراوان و توسل به زبان‌های تازه برای حل و فصل دست‌کم بعضی از این معماها نیست. در این تصویر، نسبیت عام و مکانیک کوانتومی، مجموعه‌واژه‌هایی می‌شوند از یک زبان واحد و زیبا، برای توصیف مشاهداتی که لزوماً محدود به علم فیزیک و کیهان‌شناسی هم نخواهد شد.

«نظم» یعنی چه؟

"علم، کوششی برای کشف نظم است. اما اگر بروید از یک کارشناس فیزیک ذرات، یک کیهان‌شناس، یک کارشناس ترمودینامیک و یک زیست‌شناس بخواهید نظم را برایتان تعریف کند، امکان دارد چهار پاسخ مختلف بگیرید. کارشناس فیزیک ذرات، احتمالاً به شما خواهد گفت که نظم، همان اصول و قواعدی‌ست که توسط قوانین بنیادین علم فیزیک وضع شده‌اند. جواب کارشناس ترمودینامیک هم احتمالاً این خواهد بود که نظم یعنی هرگونه تخطی از وضعیت تعادل ترمودینامیکی؛ یا همان وضعیتی که سرنوشت همه اجسام، و در واقع کل جهان هستی در آن رقم خواهد خورد. کیهان‌شناس اما توجه‌تان را به ساختار منظم منظومه شمسی و کهکشان راه شیری جلب می‌کند و شاید این تبصره را هم بیفزاید که گفته‌های کارشناس ترمودینامیک راجع به زوال نهایی نظم جهان، در خصوص سیستم‌های خودکفای گرانشی (مثل ستارگان و سیارات و ...) صدق نمی‌کند (چراکه یک توده عظیم از گاز، نه‌تنها به سمت تعادل گرمایی سیر نمی‌کند، بلکه اتفاقاً داغ‌تر و متراکم‌تر هم می‌شود تا در نهایت به شکل یک ستاره درآید). زیست‌شناس هم بالاخره به شما خواهد گفت که نظام زیستی، به لحاظ کیفی با چیزی که سه دانشمند دیگر تحت عنوان «نظم» می‌شناسند، فرق می‌کند. [جالب اینجاست که] تمامی این دیدگاه‌ها هم معتبرند. مشکل این نیست که کدامیک‌شان را باید انتخاب کرد؛ مشکل این است که چطور باید این تعاریف درست را در قالب یک تصویر منسجم و واحد ریخت، و نظمی به تعریف مفهوم نظم بخشید".

پروفسور دیوید لیزر (David Layzer)، استاد بازنشسته کیهان‌شناسی دانشگاه هاروارد یک طرح منجسم و در عین حال حیرت‌انگیز از مفهوم «نظم» پرده برمی‌کشد. او نشان می‌دهد کسب چنین شناختی، که پاسخ‌گوی گستره‌ای وسیع از سؤالات علمی و فلسفی بشر خواهد بود، مستلزم جامع‌اندیشی یک کیهان‌شناس، ریزبینی یک فیزیکدان، واقع‌بینی یک زیست‌شناس و - آنگونه که من در گفت‌وگوی با او فهمیدم - تواضع و روشن‌ضمیری یک دانشمند واقعی‌ست. لیزر، در نظریات‌اش به سه پرسش بنیادین گریبانگیر علم جدید، پاسخ‌هایی درخور توجه داد. اینکه جهت سیر زمان چگونه تعیین می‌شود؟ نظم جهان به کدام‌سو می‌رود؟ و چگونه جهان آشنای پیرامون‌مان را می‌توان با عدم قطعیتی که بر جهان اتم‌ها سایه افکنده، آشتی داد؟

پروفسور دیوید لیزر (David Layzer)، استاد بازنشسته کیهان‌شناسی دانشگاه هاروارد، فصل دوم از کتاب Cosmogenesis را با همین جملات آغاز می‌کند و رفته‌رفته با توصیف نظریه بنیادینی که در دهه ٦٠ میلادی آن را مطرح کرده بود، از یک طرح منجسم و در عین حال حیرت‌انگیز از مفهوم «نظم» پرده برمی‌کشد. او نشان می‌دهد کسب چنین شناختی، که پاسخ‌گوی گستره‌ای وسیع از سؤالات علمی و فلسفی بشر خواهد بود، مستلزم جامع‌اندیشی یک کیهان‌شناس، ریزبینی یک فیزیکدان، واقع‌بینی یک زیست‌شناس و - آنگونه که من در گفت‌وگوی با او فهمیدم - تواضع و روشن‌ضمیری یک دانشمند واقعی‌ست. لیزر، در نظریات‌اش به سه پرسش بنیادین گریبانگیر علم جدید، پاسخ‌هایی درخور توجه داد. اینکه جهت سیر زمان چگونه تعیین می‌شود؟ نظم جهان به کدام‌سو می‌رود؟ و چگونه جهان آشنای پیرامون‌مان را می‌توان با عدم قطعیتی که بر جهان اتم‌ها سایه افکنده، آشتی داد؟

شاید در نگاه نخست، این سؤالات آنقدر مهم و بی‌پاسخ جلوه کنند که حتی تصور وجود پاسخی یگانه هم برایشان امکان‌پذیر نباشد و یا اقلاً علمی محسوب نشود. اما لیزر، آنگونه که در خود تصریح کرده، قصد ارتقای هیچ نظریه‌ای را ندارد و تنها درصدد وضع یک پیوند منطقی میان نظریات ظاهراً مستقل رشته‌های فیزیک، کیهان‌شناسی و زیست‌شناسی‌ست؛ آنچنانکه در نهایت حتی زمینه اتحاد نظریات نسبیت عام و مکانیک کوانتومی، در محدوده‌ای که قلمروهای حکمرانی‌شان بر هم انطباق یافته را هم فراهم می‌کند. او به شکلی ظریف و هوشمندانه نشان می‌دهد که پاسخ بعضی از اساسی‌ترین سؤالات تاریخ علم، دقیقاً در همان دست‌اندازهای ناچیزی نهفته که دانشمندان، در مسیر پیش روی خود، آنها را نادیده می‌گیرند؛ یعنی مسیری که به امید کسب پاسخی شایسته به همان سؤالات احداث‌اش کرده بودند.

اصلی‌ترین نظریه لیزر، که از آن با عنوان «تعبیر کیهان‌شناختی مکانیک کوانتومی»، یاد می‌شود (هرچند که خودش آن را صرفاً یک «تعبیر» نمی‌‌خواند)، جهان را چیزی فراتر از پدیده‌های متعارف پیرامون‌مان می‌داند و نشان می‌دهد که قوانین حاکم بر گیتی، احتمالاً آنقدرها هم آشناتر از قوانین عجیب فیزیک کوانتوم نیستند. به عبارت دیگر، جهان هستی، شگفت‌انگیزتر از آن چیزی‌ست که تاکنون می‌شناختیم‌اش و علم هم محدودتر از آنکه بتواند حیرت‌مان از این مواجهه را فروبنشاند.

دنیای ریز ذره ها

"کسانی که پس از نخستین مواجهه‌شان با نظریه کوانتوم، حیرت‌زده نمی‌شوند؛ احتمالاً هنوز آن را نفهمیده‌اند". این جمله را نیلز بور (Niels Bohr)، فیزیکدان نام‌آشنای دانمارکی گفته، که نقش مهمی هم در پیشبرد نظریه کوانتوم ایفا کرده بود. از دیدگاه یک فیزیکدان، حیرتی که بور از آن سخن می‌گوید، هیچگونه توجیه علمی خاصی نمی‌طلبد و صرفاً یک واکنش بدیهی در پی مواجهه با واقعیات غیرمنتظره‌ی مربوط به جهان کوانتومی‌ست. پس وقتی در متون و مقالات عامه‌پسند علمی راجع به نظریه کوانتوم بحث می‌شود؛ ضروری‌ست که به سه مقوله توجه داشت:

١- مدارکی که فیزیکدانان در طول یکصد سال اخیر، راجع به جهان ریز ذره‌ها جمع‌آوری کرده‌اند.

٢- زبان دشواری که نظریه کوانتوم برای توجیه این «مدارک» به کار می‌برد.

٣- معانی مختلفی که دانشمندان با توسل به ذهنیت خودشان، از این زبان «تعبیر» می‌کنند.

پس نخست باید به «مدارکی» توجه داشت که با تجربیات مستقیم و آزمایشات مستمر فیزیکدانان به دست آمده‌اند و کسی هم بر صحت‌شان شک نمی‌برد. این مدارک، از مشاهدات مربوط به رفتار ذرات بنیادی مثل الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها گرفته؛ تا فرآورده‌های حاصل از واپاشی عناصر پرتوزا و فروپاشی ذرات زیراتمی در قلب شتاب‌دهنده‌های غول‌آسا را شامل می‌شود. پس مثلاً بر شکل کلی یک اتم، و جایگاه هسته‌ی نسبتاً سنگین و الکترون‌های سبکش، هیچ شبهه‌ای وارد نیست.

دوم آنکه توصیفاتی که نطریه کوانتوم از ساز و کار پدیده‌های زیراتمی صورت می‌دهد، به یک زبان ریاضی و فوق‌العاده انتزاعی بیان می‌شوند و لذا برگردان‌شان به زبان محاوره تقریباً غیرممکن است. مثلاً وقتی در جهان تجربیات روزمره، فوتبالیستی توپ را محکم به سمت دروازه حریف شوت می‌کند، حتی قبل از به لرزه درآمدن تور دروازه هم می‌شود حدس زد که یک گل به ثمر خواهد رسید. از طرفی به محض برخاستن توپ از روی زمین، یک فیزیکدان مجرب نیز می‌تواند از طریق قوانین فیزیک کلاسیک (یا همان قوانینی که برای توصیف جهان تجربیات روزمره کفایت می‌کند)، احتمال به ثمر رسیدن این گل را قطع به یقین برایمان پیش‌بینی کند. پس در اینجا، هم عملاً و هم اصولاً می‌توان از روی شرایط اولیه توپ، به سرنوشتش پی برد. اما اگر قرار باشد یک گزارشگر ورزشی، همین اتفاق را به زبان نظریه کوانتوم برایمان تعریف کند، خواهد گفت: "توپ به همان جایی رفته که باید احتمالاً رفته باشد".

اگر این جمله عجیب را در تلویزیون می‌شنیدیم، به اعتبار اطمینان ناشی از تماشای صحنه گل، آن را چندان جدی نمی‌گرفتیم. اما از آنجایی‌که ما قادر به تماشای جزئیات جهان زیراتمی نیستیم؛ نظریه کوانتوم، برای ما نه حکم یک گزارشگر تلویزیونی، که حکم یک گزاشگر رادیویی را دارد و لذا چاره‌ای جز جدی گرفتن جملاتش نداریم. به عبارت دیگر، از نقطه‌نظر نظریه کوانتوم، جمله "توپ به همان جایی رفته که باید احتمالاً رفته باشد"؛ یک جمله خبری است و «اصولاً» نبایستی در برابرش علامت تعجب گذاشت. اگر این کار را بکنیم، یک «تعبیر» از حرفش انجام داده‌ایم و این، سومین مقوله‌ای‌ست که بایستی در این زمینه به آن توجه داشت؛ چراکه این نظریه، اتفاقاً هیچ چیز عجیبی را در گزارش خود نمی‌بیند و در واقع می‌گوید این مشکل ماست که تعجب می‌کنیم. فیزیکدانان، به این جملات عجیب و مبهم، که متأسفانه تنها راه خبر گرفتن از جهان ذرات زیراتمی هم هستند، اصطلاحاً «تابع موج» (Wave function) می‌گویند. بنابراین اگر توپ فوتبال را یک ذره زیراتمی فرض کنیم، جمله "توپ به همان جایی رفته که باید احتمالاً رفته باشد"، تابع موج توپ است و هرچند که به‌تنهایی معنی خاصی نمی‌دهد، اما وقتی‌که به زبان نظریه کوانتوم - که در آن، باید ابتدا یک «جا» را تعریف کنید - بیان شود؛ آنوقت این جمله واضح‌ترین توصیف از وضعیت فعلی توپ‌مان خواهد بود.

شاید بگویید این نظریه صرفاً مجموعه‌ای از روابط ریاضی است و وقتی نتواند از پس توصیف جهان ذره‌ها بربیاید، پس این نقص را هم بایستی خودش حل و فصل کند و فعلاً کاری به کار «واقعیت» نداشته باشد. هرچند که اینشتین هم بر این عقیده بود؛ اما مسئله به همین سادگی‌ها هم نیست. امروزه ما می‌دانیم که مشکل از نظریه کوانتوم نیست، بلکه از جهان نامتعارف ذرات زیراتمی‌ست؛ که برای حیرت‌انگیز بودنش حتی «مدرک» کافی هم داریم. پس بد نیست پیش از آنکه به سراغ سومین مقوله، یعنی تعابیر مختلف از نظریه کوانتوم و به‌ویژه «تعبیر کیهان‌شناختی»اش برویم، نیم‌نگاهی هم به یکی از این مدارک داشته باشیم.

ادامه دارد ...

پانوشت:

این مقاله، پیش‌تر در شماره نوزدهم ماهنامه بین‌المللی آسمان شب منتشر شده بود، که با تغییراتی در اینجا بازنشر داده می‌شود.

* - مقایسه کنید با: "علم معمولی، همیشه وابسته به پارادایمی خواهد بود که معماها و رهیافت‌های مرتبطی که جامعه علمی برای‌شان دست و پا کرده را مشروعیت می‌بخشد". جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص مضمون پاردایم علمی، رجوع کنید به مقاله پنجاه سال «انقلاب»: نگاهی به میراث یک کتاب.

** - به عبارت دقیق‌تر، "جهان رؤیت‌پذیر، روزی منقبض‌تر این بوده که هست ...". برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص تفاوت مفاهیم «جهان» و «جهان‌ رؤیت‌پذیر»، رجوع کنید به مقاله کژفهمی‌های یک انفجار.

عکس اول:

منبع: NewScientist / Daniel Stolle