آلبرت اینشتین

در تکاپوی توضیح «هیچ»

arezoo — Mon, 25 Feb 2013 15:47:35 +0000

بخش سوم

احسان سنایی

احسان سنایی - در بخش قبلی این مقاله، گفتیم که پیش‌بینی‌های عجیب نظریه کوانتوم از رفتار ذرات زیراتمی به تأیید تجربه‌ای رسیده‌اند و لذا:

"... هیچ چیز از جهان ریز ذره‌ها بعید نیست. اما واقعاً این‌ها چه ربطی به جهان آشنای پیرامون ما دارد؟ این جهان هم از الکترون‌ها و پروتون‌ها و سایر ذرات زیراتمی شکل گرفته؛ حال‌آنکه محال است اصل علیت در آن نقض بشود. فیزیکدان کمی فکر می‌کند و دعوت‌مان می‌کند تا دور میزش بنشینیم. او از قبل یک حسگر ذره‌ای طراحی کرده که به محض ثبت الکترون، به جای بوق زدن، یک چکش ایستاده را رها می‌کند. او تفنگ الکترونی را خاموش می‌کند و این حسگر را به جای یکی از دو حسگر ذره‌ای واقع در اطراف شکاف‌ها می‌گذارد. بعد، از توی کشو یک مین ضدنفر را با کمال احتیاط خارج می‌کند و آن را دقیقاً زیر چکش ایستاده می‌گذارد. اگر فیزیکدان، تفنگ الکترونی را دوباره به راه بیاندازد، از آنجاکه دیدیم حسگرها همزمان فعال نمی‌شوند؛ دو سرنوشت کاملاً متفاوت پیش روی ما خواهد بود. شاید حسگر صوتی بوق بزند و هیچ اتفاقی نیفتد، و شاید هم حسگر چکشی فعال شود (که در اینصورت هردوی‌مان از بین می‌رویم). می‌پرسیم: نظریه کوانتوم چه می‌گوید؟ فیزیکدان می‌گوید: هیچ". (نگاه کنید به اینجا)

در تکاپوی توضیح «هیچ»

پس نظریه کوانتوم راجع به سرنوشت مین و البته سرنوشت ما سکوت می‌کند. در واقع آزمایش خیالی بالا را «اروین شرودینگر» (Erwin Schrödinger)، فیزیکدان برجسته اتریشی برای یک گربه‌ی بخت‌برگشته طراحی کرده بود و به همین واسطه هم این معضل را گاهی به «گربه شرودینگر» ارجاع می‌دهند. منظور او و دانشمندان دیگری نظیر اینشتین از طرح چنین مبحثی این بوده که نظریه کوانتوم، به‌واسطه همین ناتوانی (که بوی مرگ و زندگی هم می‌دهد)، نظریه جامع و مانعی برای توصیف جهان منطقی پیرامون‌ ما نیست و هنوز پیشرفت‌های زیادی می‌طلبد. اما برعکس، فیزیکدانانی همچون نیلز بور و «ورنر هایزنبرگ» (Werner Heisenberg)، نظریه کوانتوم را ناقص نمی‌‌شمردند؛ بلکه می‌گفتند نه‌تنها یک الکترون، بلکه حسگر چکشی و کلیه اجسام ماکروسکوپیک جهان هم با تابع موج توصیف می‌شوند. به عبارت دیگر، این ذات طبیعت است که هیچگونه توضیح قطعی‌‌ای راجع به انفجار مین نمی‌دهد و تنها می‌تواند احتمال وقوعش را برای‌مان پیش‌بینی کند. حسگر چکشی به‌محض فعال‌سازی تفنگ الکترونی، «تصادفاً» یکی از احتمالات موجود (یعنی انداختن، یا نیانداختن چکش) را برمی‌گزیند و لذا تابع موجش تنها به یکی از همین دو حالت خاص فرومی‌پاشد؛ اما به نحوی کاملاً تصادفی. با این حساب هیچ ابزاری نمی‌توان ساخت که ماهیت موجی و ذره‌ای الکترون را همزمان به ما نشان بدهد؛ چراکه ما با مبادرت به طراحی یک حسگر ذره‌ای، در واقع تابع موجش را چنان محدود می‌کنیم که فقط چهره‌ی ذره‌ای الکترون را به ما نشان خواهد داد. مثلاً اگر چکش را از حسگر باز کنیم و آن را محکم به روی مین بکوبیم، توابع موج حاکم بر مین و چکش را به قدری محدود کرده‌ایم که احتمال انفجار مین، مثلاً ٩٩ درصد می‌شود؛ اما هیچوقت این احتمال صد در صد نخواهد شد، چراکه طبیعت، «ذاتاً» احتمالاتی عمل می‌کند. شاید بپرسید حالا حق با آن ١ درصد است (که می‌گوید احتمال دارد اصلاً مین عمل نکند؛ یا ماهیچه دست‌مان ناگهان بگیرد و ...)، یا ٩٩ درصد؟ بور و هایزنبرگ خواهند گفت: "تا چکش را نزنی، معلوم نمی‌شود؛ چون واقعیت، همان چیزی‌ست که تو خواهی دید".

طرحی از نحوه توجیه آزمایش ذهنی گربه شرودینگر توسط تعبیر جهان‌های چندگانه نظریه کوانتوم. در این آزمایش، یک منبع رادیواکتیو (که آهنگ واپاشی‌اش تابع قوانین کوانتومی، و لذا غیرقابل پیش‌بینی است)، به یک حسگر چکشی متصل شده تا به محض وقوع واپاشی چکش را رها کند. در اینصورت شیشه زهری که روبروی گربه قرار دارد، خواهد شکست و بدین‌ترتیب گربه خواهد مرد. اما سؤال شرودینگر از نظریه کوانتوم این است که سرنوشت قطعی گربه بعد از گذشت مدتی مشخص چه خواهد بود؟ پاسخ نظریه کوانتوم این است که گربه با احتمالاتی که در طول زمان تغییر می‌کند، هم مرده است و هم زنده. توجیهی که تعبیر جهان‌های چندگانه برای این گزاره فراهم آورده می‌گوید: گربه در یک جهان زنده می‌ماند و در یک جهان خواهد مرد

عقاید بور و هایزنبرگ و جمع دیگری از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم را به اصطلاح «تعبیر استاندارد»، یا پیرو نام محل هم‌اندیشی فیزیکدانانی که به این تعبیر شکل بخشیدند، «تعبیر کُپنهاگی» نظریه کوانتوم هم می‌نامند. اما اینشتین با چنین تعبیری مخالف بود و به «تعبیر آماری» این نظریه که توسط «ماکس بورن» (Max Born) ارائه شده بود، بیشتر گرایش داشت. اگر از او می‌پرسیدیم که چه بر سر مین و ما خواهد آمد؛ می‌گفت اگر تابع موج حسگرمان بگوید احتمال مرگ و زندگی تان ٥٠-٥٠ است؛ در واقع دارد می‌گوید اگر ١٠٠ حسگر داشتیم، در ٥٠ تایشان انفجار رخ می‌داد و در باقی موارد هم هیچ اتفاقی نمی‌افتاد. پس نظریه کوانتوم، فقط به درد توصیف رفتار یک مجموعه از سیستم‌های فیزیکی (مثلاً چندین حسگر مشابه) می‌خورد؛ نه یک سیستم تنها. از این‌رو نظریه کامل‌تری را باید ارائه داد تا رفتار یک سیستم تنها را نیز به قطعیت برایمان معلوم کند.

«جان فون‌نیومن» (John von Neumann)، ریاضیدان بزرگ مجار، از طرفی معتقد بود که نه‌تنها یک الکترون، و نه‌تنها اجسام ماکروسکوپیک (مثل حسگر ما)؛ بلکه کل جهان هستی تحت سیطره یک تابع موج واحد است. از آنجا که برای فروپاشی تابع موج و رسیدن به یک نتیجه قطعی هم باید چیزی وجود داشته باشد که دست‌کم خودش تحت سیطره تابع موج نباشد (یعنی تماشاگر فروپاشی تابع موج باشد)، پس این «ذهن» انسان است که تعیین می‌کند چه چیزی واقعیت دارد. هرآنچه که بیرون از ذهن ماست، در یک سوپرپوزیشن چندحالتی واقع شده است. مثلاً فرض کنید مین را دوباره با احتیاط به درون کشو برمی‌گردانیم و تفنگ الکترونی‌مان را هم کوک می‌کنیم تا ١٠ دقیقه دیگر عمل کند. فون نیومن می‌گوید با خروج از اتاق، بعد از ١٠ دقیقه نباید پرسید آیا چکش افتاده یا نه؟ چون چکش، هم افتاده و هم ایستاده (درست مثل الکترون که هم موج است و هم ذره). فقط زمانی این وضعیت دوگانه، به شکل «افتاده» یا «ایستاده» فروپاشیده می‌شود که درب اتاق را باز کنیم و آن را با چشم خودمان ببینیم. این تعبیر، اصطلاحاً «تعبیر ذهنی» نظریه کوانتوم نامیده می‌شود.

جان فون نیومن؛ واضع تعبیر ذهنی نظریه کوانتوم

تعبیر دیگری که بد نیست اشاره‌ای هم به آن داشته باشیم، «تعبیر جهان‌های چندگانه»ی نظریه کوانتوم است که می‌گوید تابع موج هرگز فروپاشیده نمی‌شود، بلکه تمام احتمالاتش عملاً محقق می‌شوند، اما ما تنها یکی از آنها را می‌بینیم. آنچه که نمی‌بینیم، در جهان‌های موازی دیگری رخ داده که قادر به خبر گرفتن از آنها نیستیم. این تعبیر که توسط فیزیکدان آمریکایی، «هوگ اورت» (Hugh Everett) مطرح شده؛ می‌گوید ازآنجاکه حسگر ما پای دو حالت را بیشتر پیش نمی‌کشد (یعنی انفجار، یا عدم انفجار مین)؛ پس یکی از این دو که عملاً بعد از روشن شدن تفنگ الکترونی محقق نمی‌شود، در جهان دیگری محقق شده که همان لحظه از جهان ما منشعب شده بود. پس طبق این تعبیر، بالاخره ما زنده می‌مانیم، حتی هم اگر در این دنیا نباشیم.

تنوع تعابیری که از نظریه کوانتوم ارائه شده، به قدری زیاد است که اشاره به یکایک‌شان، مقاله‌ مجزایی را می‌طلبد. اما هدف ما در این‌جا تنها اشاره مختصری به گستره توضیحاتی بود که فیزیکدانان بزرگ جهان برای حل معضل محاسبه و همچنین تعیین سرنوشت مین و چکش ارائه کرده‌اند. اگر شما هم تعجب کرده‌اید که چگونه تعابیری مثل «تعبیر ذهنی» یا «تعبیر جهان‌های چندگانه» ممکن است سر از مباحث کاملاً علمی و جدی درآورده باشند، در این احساس‌تان با اکثر دانشمندان هم‌عقیده‌اید. این دانشمندان به تبعیت از عقاید فیلسوف اتریشی، «کارل پوپر» (Karl Popper) می‌پرسند: "بر فرض هم اگر تعبیر ذهنی، یا جهان‌های چندگانه صحیح باشد، چطور می‌شود این موضوع را به اثبات رساند؟" در تعبیر استاندارد، دست‌کم می‌توان گفت اگر حسگری می‌ساختیم که همزمان ماهیت موجی و ذره‌ای یک الکترون را به ثبت می‌رسانْد، دیگر این تعبیر (یا دست‌کم بخشی از این تعبیر) اعتباری نداشت (چراکه طبق تعبیر استاندارد، محال است الکترون را در یک لحظه به شکل موج و ذره ببینیم). در واقع هفت سال پیش، شهریار افشار، استاد فیزیک دانشگاه روئن آمریکا موفق به طراحی چنین آزمایشی در خصوص ماهیت موجی-ذره ای واحدهای سازنده نور - یا فوتون‌ها - شد. گرچه هنوز بحث و جدل‌ها بر سر صحت آزمایش افشار ادامه دارد، اما مشخص شده که تعبیر استاندارد، «بطلان‌پذیر»تر از تعابیری مثل تعبیر جهان‌های چندگانه است. بطلان‌پذیریْ همان معیار هوشمندانه‌ای‌ست که پوپرْ آن را تضمین‌گر قوام و جدیت یک نظریه علمی معرفی کرده بود. مثلاً شهرت و اعتبار نظریه نسبیت عام اینشتین، مدیون ده‌ها آزمایشی‌ست که در طول یک قرن، از هر سو به سمتش حمله برده‌اند و با این وجود هنوز هیچ لطمه‌ای ندیده است. اما شما هیچ آزمایشی را سراغ دارید که بتواند مثلاً صحت تعبیر جهان‌های چندگانه را ثابت کند؟

تعبیر کیهان‌شناختی نظریه کوانتوم

در سال ١٩٨٣، «تامس گولد» (Thomas Gold)، ستاره‌شناس نام‌آشنای آمریکایی، کنفرانسی راجع به «ماهیت علم» برگزار کرد، که کیهان‌شناسان و فیزیکدانان بزرگی از جمله «هرمان بوندی» (Hermann Bondi)، «سابرامانیان چاندراسکار» (Subramanian Chandrasekhar - برنده نوبل ١٩٨٣)، «ریچارد فاینمن» (Richard Feynman - برنده نوبل ١٩٦٥)، «مارتین هارْویت» (Martin Harwit)، «راجر پنروز» (Roger Penrose)، «فیلیپ موریسون» (Philip Morrison) و جان ویلر (John Wheeler) نیز در آن شرکت داشتند. در آن کنفرانس، دیوید لیزر (David Layzer) برای نخستین بار فرضیه‌ای را مطرح کرد که بعدها سنگ بنای «تعبیر کیهان‌شناختی» نظریه کوانتوم شد.

این تعبیر هم مثل تعبیر آماری می گوید "نظریه کوانتوم، نظریه‌ای برای توصیف رفتار یک مجموعه از سیستم‌های فیزیکی (مثلاً چندین حسگر مشابه) است؛ نه رفتار یک سیستم تنها". اما لیزر همچون اینشتین نمی‌گوید "پس نظریه کوانتوم، یک نظریه ناقص است"؛ بلکه می‌گوید این قوانین آماری هستند که بر کل جهان حکم می‌کنند، چراکه ما اصلاً «یک سیستم تنها» یا اصطلاحاً «بی‌در رو» در جهان پیدا نمی‌کنیم. از این لحاظ او با فون‌نیومن هم موافق است که کل جهان هستی تحت سیطره تنها یک تابع موج واحد است. اما لیزر برخلاف او ذهن انسان را هم در زمره این مجموعه می‌آورد و لذا تمام درها را به روی فروپاشی تابع موج جهان می‌بندد. به عبارت دیگر، تعبیر کیهان‌شناختی نظریه کوانتوم رویهمرفته می گوید: "جهان تحت سیطره تنها یک تابع موج پایدار است، که پدیده‌ها را به صورت آماری توصیف می‌کند".

اگر یادتان باشد، تابع موج توپ فوتبال این بود: "توپ به همان جایی رفته که باید احتمالاً رفته باشد". طبق تعبیر کیهان‌شناختی نظریه کوانتوم، اگر از تابع موج کل جهان بپرسیم: توپ کجاست؟ به همان شکل خواهد گفت: "توپ به همان جایی رفته که باید احتمالاً رفته باشد". اگر بخواهیم واضح‌تر برایمان توضیح بدهد، مثلاً خواهد گفت: "٣٢ درصد احتمال دارد که توپ به «این» طرف برود، و ٦٨ درصد هم به «آن» طرف". به نظر شما، اگر تابع موج جهان می‌گفت "توپ ١٠٠ درصد به «این» طرف می‌رود"، هم هیچ گره‌ای از کارمان باز می‌شد؟ البته که خیر؛ چون ما می‌خواهیم بدانیم «این» طرف به چه معناست. تعبیر کیهان‌شناختی خواهد گفت: به هیچ معنا! چراکه کلماتی مثل «چپ و راست» و «بالا و پایین»، مثلاً برای فرد فیلمبرداری که صحنه گل را به ما نشان می‌دهد و همچنین تماشاگران و بازیکنانی که در جای‌جای استادیوم به توپ خیره شده‌اند، معانی مختلفی دارد. حال تصور کنید که تابع موج جهان، تمام این زوایا را زیر پوشش خود دارد. پس این تابع موج، هیچ سمت و سویی را نمی‌تواند «تشخیص» بدهد.

شاید در نگاه نخست، این تعبیر، گنگ‌ترین و بطلان‌ناپذیرترین تعبیری باشد که تاکنون شنیده‌اید. اما خوشبختانه یک پیش‌بینی بزرگ هم دارد: اگر تنها یک تابع موج بر جهان حکم کند و جهان هم فاقد مرز باشد، آنگاه عباراتی مثل «این طرف» و «این‌جا» برایش بی‌معنی‌اند؛ چراکه این تابع موج، اصلاً قابلیت تشخیص هیچ نقطه یا جهت خاصی از فضا را ندارد. پس ما به هر طرف از جهان که بنگریم و در هر جایش که بایستیم، باید چشم‌انداز مشابهی ببینیم (درست مثل اینکه مه سنگینی جهان را فراگرفته باشد). کافی‌ست سرتان را نیم‌دور بچرخانید تا چنین تعبیری باطل شود. اما پیش از این کار، بهتر است از یک کیهان‌شناس هم مسأله را جویا شویم؛ چراکه آنها بالغ بر ٨٠ سال است که می‌گویند: جهان در مقیاس‌های بزرگ، در همه‌جا و از همه‌سو یکسان دیده می‌شود.

ادامه دارد ...

در همین زمینه:

بخش اول: راز ژرف ماده

بخش دوم: شعبده‌های زیراتمی

توضیحات تصاویر:

۱ - نیلز بور و آلبرت اینشتین، دو تن از بنیانگذاران نظریه کوانتوم در جریان مباحثات معروف بور-اینشتین که محترمانه تا پایان عمر اینشتین ادامه یافت. او معتقد بود که نظریه کوانتوم، نظریه کاملی نیست و باید در آن تجدید نظر شود. اما به اعتقاد نیلز بور، این نظریهْ کامل است و این ماییم که باید از ذهنیت سنتی‌مان راجع به فیزیک کلاسیک، رویگردان شویم. بعدها مشخص شد که حق با بور بوده است. این عکس را پاول ارنفست (Paul Ehrenfest)، فیزیکدان اتریشی (که نقش مهمی را هم در پیشبرد نظریه کوانتوم ایفا کرد)، در خانه خود واقع در شهر لیدن هلند؛ حین مباحثه این دو فیزیکدان بزرگ قرن بیستم گرفته است (مربوط به سال ۱۹۲۵)

۲ - طرحی از نحوه توجیه آزمایش ذهنی گربه شرودینگر توسط تعبیر جهان‌های چندگانه نظریه کوانتوم. در این آزمایش، یک منبع رادیواکتیو (که آهنگ واپاشی‌اش تابع قوانین کوانتومی، و لذا غیرقابل پیش‌بینی است)، به یک حسگر چکشی متصل شده تا به محض وقوع واپاشی چکش را رها کند. در اینصورت شیشه زهری که روبروی گربه قرار دارد، خواهد شکست و بدین‌ترتیب گربه خواهد مرد. اما سؤال شرودینگر از نظریه کوانتوم این است که سرنوشت قطعی گربه بعد از گذشت مدتی مشخص چه خواهد بود؟ پاسخ نظریه کوانتوم این است که گربه با احتمالاتی که در طول زمان تغییر می‌کند، هم مرده است و هم زنده. توجیهی که تعبیر جهان‌های چندگانه برای این گزاره فراهم آورده می‌گوید: گربه در یک جهان زنده می‌ماند و در یک جهان خواهد مرد / منبع: دایره‌المعارف ویکی

۳ – جان فون نیومن؛ واضع تعبیر ذهنی نظریه کوانتوم / منبع: LANL

کشفیات جدیدی در خصوص مغز اینشتین

arezoo — Mon, 19 Nov 2012 04:04:28 +0000

مو کاساندی (Mo Costandi)

برگردان:

احسان سنایی

مو کاساندی - آلبرت اینشتین را به‌عنوان یکی از برجسته‌ترین نوابغ تاریخ می‌شناسند و لذا طبیعتاً پژوهش‌گران متعددی هم کنجکاو اطلاع از ساز و کار مغز وی بوده و هستند. تاکنون هیچ تحلیل دقیقی از چند عکسی که بلافاصله بعد از مرگ وی از مغزش گرفته شد، انجام نپذیرفته بود؛ اما حال مشخص شده که این عکس‌ها حاکی از خصوصیات نامتعارفی هستند که دریچه‌های تازه‌ای را رو به مبانی عصب‌شناختی ِ اندیشه‌های این نابغه می‌گشایند.

توماس هاروی (Thomas Harvey) آسیب‌شناسی بود که در جریان کالبدشکافی اینشتین، جمجه این فیزیکدان را تخلیه کرد و مغزش را به ظرفی حاوی محلول فرمالین انتقال داد. سپس ده‌ها عکس سیاه و سفید از مغز گرفت و بالاخره آن را به ۲۴۰ قطعه تقسیم کرد؛ از هر قطعه نمونه‌هایی برداشت و بعد از چسباندن‌شان روی چندین لام میکروسکوپ، آن‌ها را برای جمعی از بهترین آسیب‌شناسان اعصاب ارسال کرد.

نتایج کالبدشکافیْ حکایت از این داشت که مغز اینشتین، کوچک‌تر از حد معمول بوده و پژوهش‌های بعد از آن هم باقی تغییراتی که معمولاً در پی کهولت سن افراد بروز می‌کنند را نشان داد؛ اما دیگر تحلیلی بیش از این صورت نپذیرفت. هاروی، قطعات مغز را در شیشه‌ای پر از فرمالین جا داد و بعد از بسته‌بندی‌ ظرف، آن را در یخچال دفترش نگه داشت. چندین دهه بعد، تعدادی پژوهش‌گر از هارویْ نمونه‌هایی را خواستند و با تحلیل‌شان، پی به وجود برخی ویژگی‌های نامتعارف این مغز بردند.

اینشتین، ویولنیست ماهری بود، که شاید این را بتوان به بخش تقویت‌شده‌ای از مغزش نسبت داد که بر رفتار دست چپ نظارت دارد.

پژوهشی در سال ۱۹۸۵میلادی نشان داد که به ازای هر سلول عصبی واقع در دو بخش از این مغز، مقادیر قابل توجهی سلول‌های غیرعصبی، موسوم به «گلیا» وجود دارد. پژوهش دیگری که بالغ بر ده سال بعد انجام شد هم نشان داد که قشر آهیانه‌ای، فاقد یک شکاف و همچنین بخش دیگری موسوم به «اوپرکولوم» است. شکاف غایب، احتمالاً ارتباطات عصبی ِ این بخش از مغز، که تصویر می‌رود مسئول تصویرسازی‌های حجمی و بصری و مهارت‌های ریاضیاتی همچون حساب باشد، را تقویت می‌کرده.

حال،انسان‌شناسی به نام دین فالک (Dean Falk)، از دانشگاه ایالتی فلوریدا و همکارانش، دوازده قطعه عکس ِ اصلی ِ هاروی از مغز اینشتین را از موزه ملی بهداشت و درمان آمریکا، واقع در سیلور اسپرینگِ مریلند گرفته‌اند و الگوهای پیچاپیچ آن را با ۸۵ توصیفی که مجموعاً از این مغزْ صورت گرفته، مقایسه کرده‌اند.

اکثر عکس‌ها از زوایای نامتعارفی گرفته شده و نشان از وجود ساختارهایی می‌دهد که قبلاً در عکس‌های معروف‌تر دیده نشده بود. این بررسی، چندی پیش در شماره اخیر نشریه Brain انتشار یافت. به‌گفته فالک، عجیب‌ترین موردی که دیده شد، "نوع واپیچیدگی، و الگوهای منحنی‌شکل موجود در قسمت‌های خاصی از مخ اینشتین"، خصوصاً قشر پیشانی، قشر آهیانه‌ای و قشر بینایی بود. قشر پیشانی، می‌توانسته نقش مهمی در القای تفکرات انتزاعی، نظیر آزمایشات ذهنی اینشتین راجع به ماهیت فضا و زمان، از جمله تصور حرکت در راستای یک پرتو ِ نور، ایفا کند.

فالک و همکارانش همچنین پی به وجود بخش نامتعارفی در قشر حسی-پیکری این مغز برده‌اند که وظیفه‌اش دریافت داده‌های حسی از بدن است. در این بخش از مغز اینشتین، ناحیه‌ای که به دست چپ ارتباط پیدا می‌کند، حجم زیادی را به خود اختصاص داده، که پژوهش‌گران معتقدند این موضوع شاید به استعداد وی در نواختن ویلن هم کمک کرده باشد.

به‌گفته ساندرا وایتلسون (Sandra Witelson)، عصب‌شناس رفتاری دانشگاه مک‌مَستر کانادا، که قبلاً متوجه شده بود بخش اوپرکولوم از قشر آهیانه‌ای مغز اینشتین، غایب است؛ بزرگترین دستاورد پژوهش اخیر می‌تواند القای انگیزه برای پیگیری پژوهش‌های بیشتر باشد. او می‌گوید: "این [پژوهش]، کارکردها و همچنین امکان مکان‌یابی از طریق عکس‌ها و اسلایدهای میکروسکوپی مغز اینشتین را مشخص ساخت. این می‌تواند، شاخصی برای سایر پژوهش‌ها، به‌منظور شناخت بهتر مغز او، و در نهایت نحوه تأثیر تفاوت‌های آناتومیک این مغز [بر نحوه زندگی اینشتین] باشد.

منبع: nature

توضیحات تصاویر:

۱ - نسخه‌ تازه‌ای از عکس روبروی هاروی از مغز اینشتین / منبع: NMHM, Silver Spring, MD

۲ - اینشتین، ویولنیست ماهری بود، که شاید این را بتوان به بخش تقویت‌شده‌ای از مغزش نسبت داد که بر رفتار دست چپ نظارت دارد / منبع: AFP/Getty Images

نگاهی به فراسوی فضا و زمان

arezoo — Mon, 29 Oct 2012 19:22:23 +0000

ساینس دیلی Science Daily

برگردان:

احسان سنایی

ساینس دیلی - فیزیکدانان، طرح آزمایشی را ارائه کرده‌اند که مجبورمان می‌کند از بین دو نظریه نسبیت عام و کوانتوم، یکی را برای توصیف بنیادی‌ترین رفتارهای جهان‌مان برگزینیم.

این پیشنهاد که توسط جمعی از پژوهش‌گران سوئیسی، بلژیکی، اسپانیایی و سنگاپوری مطرح شده و در شماره ۲۸ اکتبر نشریه Nature Physics انتشار یافته، بر مفهومی متکی‌ست که فیزیکدانانْ اسم‌اش را «نامساوی تأثیر پنهان» (Hidden Influence Inequality) گذاشته‌اند. این مفهوم نشان می‌دهد که چگونه پیش‌بینی‌های کوانتومی، به مصاف توصیفات نسبیتی از ماهیت فضا و زمان می‌روند.

ژان-دانیل بانچال (Jean-Daniel Bancal) از متخصصین مرکز فناوری‌های کوانتومی دانشگاه ملی سنگاپور، که سرپرستی این پژوهش را به عهده داشته، اظهار می‌کند که "می‌خواستیم ببنیم آیا می‌شود بدون تغییر دیدگاه‌مان از وقایعی که به ‌نرمی در پهنه فضا و زمان رخ می‌دهند، اتفاقات نامتعارفی که [در مقیاس‌های زیراتمی] دیده‌ایم را توجیه کرد؟". و جالب اینجاست که واقعاً احتمال طرح چنین آزمایشی وجود دارد.

فیزیکدانان، از زمان صورت‌بندی نهایی نظریه کوانتوم در اوایل قرن بیستم تاکنون، همچنان گرفتار پیش‌بینی‌های خارق‌العاده‌ی این نظریه‌اند – مثلاً دو ذره‌ی «در‌هم‌تنیده» (که پیش‌تر در اندرکنش متقابل بوده‌اند و هم‌اینک از هم سوا شده‌اند)، حتی در فواصل دور، همچون یک ذره‌ی واحد عمل می‌کنند. فیزیکدانان، نام این پدیده را که برخلاف درک متعارف‌مان از روابط علت و معلولی‌ست، «ناجای‌گزیدگی» (non-locality) گذاشته‌اند.

اینشتین، اولین کسی بود که راجع به رفتاری که خودش آن را «کنش شبح‌گونه از راه دور» می‌نامید هشدار داد، رفتاری که از پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی حاصل می‌شد. یعنی اگر مثلاً جهت چرخش یکی از جفت ذرات درهم‌تنیده را تعیین کنیم، پیش‌بینی نظریه کوانتوم این خواهد بود که ذره دوم، صرفنظر از هر جهتی که می‌چرخیده، بلافاصله در خلاف جهتی که برای ذره اول به دست آورده‌ایم، می‌چرخد؛ به‌طوریکه نمی‌شود گفت این ذرات، از قبل چگونه می‌چرخیده‌اند. عقلم سلیم حکم می‌کند این رفتار، نمی‌تواند از دو حالت خارج باشد: یا اینکه دو ذره، از اول چنین بوده‌اند و یا اینکه با به‌نحوی همدیگر را خبر کرده‌اند.

در دهه ۱۹۶۰میلادی بود که فیزیکدان ایرلندی، جان بل (John Bell)، اولین آزمایش عملی مبنی بر امکان تبعیت رفتار این ذرات از عقل سلیم را مطرح کرد. آزمایش «نامساوی بل»، احتمال اینکه دو ذره از قبل هماهنگ بوده‌اند را بررسی می‌کند. اگر محاسبات‌مان این نامساوی را نقض کنند و نشان از تشابه ویژگی‌های دو ذره تا پیش از انجام آزمایش بدهند، آن‌وقت حق با نظریه کوانتوم است: یعنی این دو ذره، در نبود هرگونه «متغیر پنهان فی‌مابین»، بر هم اثر می‌گذارند. آزمایشات متعددی از دهه ۱۹۸۰ تاکنون، نامساوی‌های بل را نقض کرده‌اند. پس انگار حق با نظریه کوانتوم است.

جان بل، فیزیکدان ایرلندی

اما چنین آزمایشاتی نمی‌توانند همه امیدمان به ارائه یک توصیف متعارف از نحوه تأثیرگذاری این دو ذره، آن‌هم بدون نقض اصول نسبیتی را از میان ببرند. به‌ همین واسطه هم پژوهش‌گران، آزمایشات جدیدی را پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند از نقش سیگنال‌های احتمالی مابین دو ذرهْ پرده بردارد.

آزمایشات قبلی نشان داده بود که اگر فرضیه‌ سیگنال‌ را بپذیریم، آن‌وقت سرعت‌ این سیگنال‌ها چیزی در حدود ۱۰ هزار برابر سرعت نور خواهد شد. برای کسانی‌که با مفاد نسبیت اینشتین آشنایی دارند و از سد سرعت نور مطلع‌اند، این یافته‌ْ زنگ خطر را برایشان به صدا درآورده. ولی فیزیکدانانْ راه فراری از دست سرعت نور مطرح کرده‌اند: شاید این سیگنال‌ها صرفاً واجد نوعی «اثربخشی پنهان فی‌مابین» باشند و لذا هیچ اطلاعات به‌دردبخوری را برای ما به ارمغان نیاورند که در این‌صورت اصول نسبیت، همچنان برقرار خواهد ماند. این سیگنال‌ها، تنها درصورتی می‌توانند از اصول نسبیت تخطی کنند، که بتوانند «اطلاعات» را با سرعتی مافوق نور حمل کنند.

اما حالْ معلوم شده که این فرضیه، موسوم به «نامساوی تأثیر پنهان»، شامل حال پیش‌بینی‌های کوانتومی نمی‌شود. پژوهش‌گران، چهار ذره‌ درهم‌تنیده را فرض گرفتند و خواستند ببیند که آیا رفتارهای احتمالاً مشابهی بین‌شان وجود دارد که بتوان به همین تأثیرات پنهانی نسبت داد یا نه. در این فرض، سرعت تأثیرات، محدود و دلبخواهی فرض گرفته شد. همه این محدودیت‌ها، به‌لحاظ تئوری حاکی از این بود که یک موجودیت ۸۰-بُعدی بر حوزه‌ تحت تأثیر این چهار ذرهْ مسلط است! نامساوی‌هایی که این پژوهش‌گران درصدد آزمودن‌شان برآمده‌اند، در واقع مرز سایه‌ای‌ست که این موجودیت ۸۰ بُعدی بر یک سطح ۴۴-بُعدی می‌اندازَد. آن‌ها نشان دادند که طبق پیش‌بینی‌های کوانتومی، تعاملات فی‌مابین ذرات، از این مرز هم می‌تواند بگذرد و از پیش‌فرض‌های‌ آزمایش‌مان تخطی کند. در این‌صورت، تأثیرات پنهانی ذرات، آن‌هم در محیط خارج از این مرز، یا اینکه دیگر نمی‌تواند «پنهانی» باشد، و یا اینکه سرعت جابه‌جایی‌شان، بی‌نهایت خواهد بود.

از آنجاکه فیزیکدانانْ هم‌اکنون توان درهم‌تنیدن چهار ذره را دارند، احتمال می‌رود این آزمون را هم بتوان در آینده‌ای نزدیک عملی کرد (البته دقت دستگاه‌ها باید به قدری بالا باشد که اختلافات پیش‌بینی‌شده را بتوان تشخیص داد). همه‌چیز، تنها به یک عدد بستگی دارد: در جهانی که پیرو قوانین استاندارد نسبیتی باشد، این عدد از ۷ تجاوز نخواهد کرد؛ اما چنانچه محاسبات‌مان تا ۷.۳ را نشان دهند، طبیعت، توصیفات کوانتومی را ترجیح می‌دهد.

حال اگر این آزمایش، عددی بیش از ۷ را نشان بدهد – و ماهیت کوانتومی کیهان به اثبات برسد – معنی‌اش چه خواهد بود؟ جواب از دو حالت خارج نیست: اول آنکه باید در اصول نسبیت تجدیدنظر کرد و از تأثیرات «پنهان» این ذرات، «پرده برداشت»؛ که در این‌صورت عملاً پذیرفته‌ایم که می‌توان اطلاعات را با سرعت مافوق نور جابه‌جا کرد (اما نسبیت یک نظریه فوق‌العاده موفق است و پژوهش‌گران به همین سادگی‌ها در آن شک نمی‌کنند؛ از این‌رو چنین احتمالی فوق‌العاده بعید می‌نماید). حالت دوم این است که بپذیریم این تأثیرات، با سرعت بی‌نهایت رد و بدل می‌شوند – و یا اقلاً در چارچوب فضا-زمان ما چنین دیده می‌شوند.

این آزمایش، هنوز از پس تشخیص دو حالت مذکور برنمی‌آید. در هر دو حال، رفتارهای جهان‌مان اساساً مبتنی بر «ناجای‌گزیدگی» خواهد بود؛ بدین‌معنا که هر نفطه از هستی، با هر نقطه دیگر، هم‌زمان مرتبط است. چنین ارتباطاتی، عقل سلیم‌مان را به چالش می‌طلبد؛ اما هر چه باشد، بهتر از قبول امکان انتقال اطلاعات با سرعت مافوق نور است.

نیکولاس گیسین (Nicolas Gisin)، استاد فیزیک دانشگاه ژنو سوئیس و از اعضای این تیم، می‌گوید: "نتایج تحقیقات‌مان بر صحت این گمان می‌افزاید که همبستگی‌های کوانتومی، ریشه در جایی فراسوی فضا-زمان دارد، به‌طوریکه هیچ توصیف فضا-زمانی‌ای قادر به توجیه‌شان نیست".

منبع: ScienceDaily

در همین زمینه:

انفجاری که ستون‌ها فیزیک را لرزاند

دنیای پرآشوب کوانتوم

توضیح تصویر:

۱ - طرحی از ایده «کنش شبح‌گونه از راه دور» دو ذره در‌هم‌تنیده / منبع: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore

۲ - پروفسور جان بل

پنجاه سال «انقلاب»: نگاهی به میراث یک کتاب

arezoo — Sat, 27 Oct 2012 17:15:53 +0000

ویژه پنجاهمین سالگرد انتشار کتاب «ساختار انقلاب‌های علمی»

یان هکینگ (Ian Hacking)

برگردان:

احسان سنایی

یان هکینگ - «ساختار» و «انقلاب» در عنوان کتاب «ساختار انقلاب‌های علمی» تامس کوهن (Thomas Kuhn)، به‌خوبی جفت‌وجور شده‌اند. او نه‌تنها به وجود چنین انقلاب‌هایی عقیده داشت، که ساز و کار مشخصی را هم برای‌شان قائل بود و محتاطانه چنین ترتیب‌گذاری‌شان می‌کرد: «علم معمولی» (یا normal science – که همان کارهای متداول علمی باشد)، همیشه به انضمام یک پاردایم، یا انگیزه‌ای برای «حل معما» برپاست و از رهگذر همین امور معمولی‌ست که رفته‌رفته نابهنجاری‌هایی بروز می‌کند و با دامن زدن تدریجی به یک بحران علمی و ظهور پارادایمی جدید، یک انقلاب علمی از آن حاصل می‌شود.

«حل معما»، معمولاً یادآور بازی سودوکو، حل کردن جدول و چیدن پازل است و لذا خوانندگان، امروزه معانی بعضاً ضد و نقیضی را به کلماتی که در ۱۹۶۲ در این کتاب به کار رفته، نسبت می‌دهند. همانطور که کوهن، خودش در پس‌گفتار کتاب آورده: "پارادایم، ... جوهره چیزی‌ست که من اینک آن را بدیع‌ترین و مهجورمانده‌ترین جنبه کتابم برمی‌شمرم". او در همان صفحه، واژه exemplar (سرمشق) را به عنوانی جانشینی برای پارادایم برمی‌گزیند و در مقاله دیگری هم اعتراف می‌کند که دیگر "کنترل این واژه از دست‌ام در رفته است". آخرش هم در اواخر عمرْ آن را دور انداخت. اما من امیدوارم که ما، یعنی مخاطبین پنجاه سال بعد کتاب «ساختار ...»، می‌توانیم اهمیت این واژه را مجدداً احیاء کنیم.

در این‌صورت، علم معمولی، همیشه وابسته به پارادایمی خواهد بود که معماها و رهیافت‌های مرتبطی که جامعه علمی برای‌شان دست و پا کرده را مشروعیت می‌بخشد. اوضاع تا مدتی به همین منوال پیش خواهد رفت تا این‌که روش‌های مشروعیت‌یافته با این پارادایم، دیگر از پس حل نابهنجاری‌هایی که بروز کرده برنیایند و لذا بحرانی حاصل شود که فقط با تغییر خط مشی پژوهش‌ها و ظهور یک پارادایم جدید حل خواهد شد؛ اتفاقی که به «تغییر پارادایم» (paradigm-shift) معروف است.

مثلاً دو جمله‌ی تأثیرگذار از قول ولفگانگ پائولی (فیزیکدان برجسته اتریشی)، در کتاب کوهن آمده که وضعیت کلی نظریه کوانتوم را، چندی پیش از انتشار مقاله معروف هایزنبرگ راجع به مکانیک ماتریسی، و چندی پس از آن ترسیم می‌کند. او در جمله اول اظهار می‌کند که علم فیزیک در شُرُف واپاشی‌ است و باید در پی کسب و کار دیگری رفت؛ اما چند ماه بعد، راهی تازه گشوده می‌شود. اغلب دانشمندان همین احساس را داشتند: در اوج بحران بود که جامعه علمی، در مواجهه با چالش‌های پیش روی پارادایم خودْ احساس گسست می‌کرد.

تصویری از جلد ویراست دوم کتاب «ساختار انقلاب‌های علمی»

البته مفهوم «ساختار» کوهن، خیلی شسته‌رفته و مرتب است و می‌دانیم که تاریخ اینچنین نیست. اما دقیقاً همین نبوغ او به‌عنوان یک فیزیکدان بود که راه کشف یک ساختار ساده و روشن‌گرانه را نشان‌اش داد؛ یعنی دورنمایی از ساز و کار علم، که مخاطب عامْ آن را به‌خوبی درمی‌یافت. ضمناً ایده‌اش آزمون‌پذیر هم بود. مورخان علم، خود می‌دیدند که تحولات تاریخی رشته‌شان تا چه اندازه با «ساختار»های کوهن انطباق دارد. اما متأسفانه بعضی روشنفکران، که به‌همین‌واسطه با معنای «واقعیت» درافتادند، از این ایده سوءاستفاده کردند. کوهن اصلاً چنین قصدی نداشت. او عاشق واقعیت و جستجوگر حقیقت بود.

خب بحث‌مان از «ساختار»، اندکی به طول انجامید. در خصوص «انقلاب»ها باید گفت که معمولاً اولین چیزی که به ذهن‌مان خطور می‌کند، انقلاب‌های سیاسی‌ست. همه‌چیز زیر و رو می‌شود و نظم سراسر جدیدی بر جهان حکم می‌رانَد. شاید امانوئل کانت را بتوان نخستین متفکری خواند که چنین ایده‌ای را به قلمرو علم انتقال داد. او در مقدمه ویراست دوم کتاب «نقد عقل محض»، از دو رخداد انقلابی یاد می‌کند: یکی تحول کارکرد ریاضیات از روش‌های متعارف بابلی‌ها و مصری‌ها به ابزاری برای اثبات از طریق اصول موضوعه، در اندیشه یونانیان؛ و دومی هم ظهور روش تجربی و آزمایشگاه‌های علمی [در اواسط قرن هجدهم میلادی].

زمانی که کوهن کتابش را می‌نوشت، انقلاب علمی قرن هفده، برای خودش منزلتی داشت: پیامبرش فرانسیس بیکن بود؛ چراغ راه‌اش گالیله و خورشید عالم‌تاب آن هم نیوتن. اما بحث کوهن بر سر «این» انقلاب علمی نبود. این رخداد، در مقایسه با انقلاب‌هایی که کوهن از آن سخن می‌گفت، اساساً چیز دیگری بود. اصلاً او چندی پیش از نوشتن کتاب «ساختار ...»، عنوان «انقلاب علمی ثانوی» (second scientific revolution) را معرفی کرد که در اوایل قرن نوزده میلادی رخ داده بود؛ یعنی هنگامی که رشته‌های علمیْ جامه ریاضی به خود پوشیدند. گرما، نور، الکتریسیته و مغناطیس، صاحب پارادایم‌های خاص خودشان شدند: گستره‌ای از پدیده‌های ناشناخته، ناگهان به چشم‌مان آشنا جلوه کردند. اما نه این انقلاب ثانوی و نه آن انقلاب اولی، واجد «ساختار»ی که کوهن از آن سخن می‌گفت، نبودند.

تامس کوهن چندی پیش از نوشتن کتاب «ساختار ...»، عنوان «انقلاب علمی ثانوی» را معرفی کرد که در اوایل قرن نوزده میلادی رخ داده بود؛ یعنی هنگامی که رشته‌های علمیْ جامه ریاضی به خود پوشیدند. گرما، نور، الکتریسیته و مغناطیس، صاحب پارادایم‌های خاص خودشان شدند: گستره‌ای از پدیده‌های ناشناخته، ناگهان به چشم‌مان آشنا جلوه کردند.

نسل پیش از کوهن، در جهانی بالید که میزبان یک انقلاب بنیادی در علم فیزیک بود. نظریات نسبیت خاص و عام اینشتین، ویران‌کننده‌تر از تصورمان ظاهر شدند و بعد از آن نوبت به انقلاب کوانتومی رسید. نسبیت و فیزیک کوانتوم، نه‌تنها بنیادهای علم سنتی، که اساس متافیزیک را هم فروفکندند. کانت اعتقاد داشت که فضای مطلق نیوتونی، و اصل علیت از جمله اصول پیشینی (a priori) و بدیهی به‌شمار می‌روند. اما فیزیک ثابت کرد که علت و معلول، صرفاً پدیدارند و این عدم قطعیت است که در اعماق واقعیتْ ریشه دوانده است.

پیش از کوهن، کارل پوپر (Karl Popper) را برجسته‌ترین چهره فلسفه علم می‌شناختند. او به عصر انقلاب ثانوی کوانتوم تعلق داشت؛ انقلابی که به ‌وی نشان داد علم از طریق گمانه‌زنی و تکذیب است که پیش می‌رود. ما به حدسیات جسورانه‌ای متوسل که تا حد ممکنْ آزمون‌پذیر باشند و چندی بعد، ضرورتاً به اشتباه‌شان پی می‌بریم. حدسیات‌مان تکذیب می‌شوند و به حدس جدیدی نیاز است تا با واقعیات تازه جور درآید. فرضیه‌ها تنها زمانی «علمی» تلقی می‌شوند، که بطلان‌پذیر (falsifiable) باشند.

تأکید کوهن بر مفهوم انقلاب را می‌توان به مثابه یک مرحله بعد از پوپر دید. هر دوی‌ آن‌ها فیزیک را به‌عنوان مدلی برای کل علم برمی‌گزیدند و ایده‌هایشان را در عصر بعد از نسبیت و کوانتوم صورت‌بندی کردند. امروزه اما علوم، چهره متفاوتی دارند. در سال ۲۰۰۹ بود که یکصد و پنجاهمین سالگرد انتشار کتاب «منشأ انواع» داروین را جشن گرفتند. به گمانم اگر از بینندگان آن می‌پرسیدند که انقلابی‌ترین اثر تاریخ علم چیست، جواب‌شان همان «منشأ انواع» می‌بود. پس غیاب انقلاب داروینی در کتاب «ساختار ...» کوهن، امروزه محسوس‌تر است. حالا که علوم زیستی جای فیزیک را گرفته‌اند، باید دید که انقلاب داروین تا چه اندازه در الگوی کوهن می‌گنجد.

به‌هر ترتیب، آیا پنجاه سال پیش، انتشارات دانشگاه شیکاگو اصلاً می‌دانست که یک بمب را در اختیار دارد؟

کتاب «ساختار ...» ابتدا به‌عنوان بخشی از «دایره‌المعارف بین‌المللی علم وحدت‌یافته»، در قالب پروژه‌ای توسط فلاسفه حلقه وین منتشر شد. اعضای حلقه، به دنبال قدرت یافتن نازی‌ها در اروپا، به شیکاگو نقل مکان کرده بودند. کوهن می‌گفت از لحاظ عقلانی، با فلسفه علم حلقه عجین شده است. در سال‌های ۱۹۶۲ و ۶۳، ۹۱۹ نسخه از کتابش فروش رفت و آمار فروش نسخه ارزان‌ترش ۴۸۲۵ مورد بود. چندی نگذشت که «ساختار ...»، به فهرست کتاب‌های تأثیرگذار قرن بیستم راه یافت و مهم‌تر از همه این‌که: دورنمای علمی که هم‌اینک از آن بهره‌مندیم را برای همیشه دگرگون کرد.

منبع: NewScientist

پانوشت:

یان هکینگ، نویسنده این مقاله، چهره برجسته فلسفه علم، و استاد دانشگاه تورنتوی کاناداست. این نوشتار، بخشی از مقدمه او بر ویراست پنجاه‌سالگی کتاب «ساختار انقلاب‌های علمی» به قلم تامس کوهن (انتشارات دانشگاه شیکاگو) است.

توضیحات تصاویر:

۱ - تامس کوهن / منبع: دایره‌المعارف ویکی

۲ - تصویری از جلد ویراست دوم کتاب «ساختار انقلاب‌های علمی»

صدسالگی یک ذهن عالمگیر: آلن تورینگ

Babak M — Sat, 03 Mar 2012 18:55:14 +0000

تانگوی چوارد (Tanguy Chouard) و بری کوپر (Barry Copper)

برگردان:

احسان سنایی

تانگوی چوارد و بری کوپر ـ تقدیر این بوده است که آلن ماتیسون تورینگ (Alan Mathison Turing)، از روز تولدش- در بیست و سوم ژوئیه ۱۹۱۲- تا لحظه مرگ، همیشه با تنهایی، سوء تفاهم و آزار اطرافیان همراه باشد، اما نشریه علمی Nature، با ورود به یکصدمین سال تولدش، او را به‌عنوان یکی از برجسته‌ترین متفکران تمام دوران‌ها ستایش کرده و طی سلسله‌مقالات ویژه‌ای، ما را به ملاقات با ده‌ها دستاورد بزرگ وی حین اشتغال به فعالیت‌های فراوانش برده است، از رمزگشایی پیغام‌ها در زمان جنگ جهانی دوم و بنیانگذاری علوم رایانه‌ای گرفته تا علایق نه‌چندان آشناترش به گیاه‌شناسی، بررسی شبکه اعصاب، اختراع ماشین‌های نابه‌سامان، فیزیک کوانتوم و البته ارواح.

هرکسی تورینگ را طور دیگری می‌بیند. شاید عجیب باشد اگر یک زیست‌شناس مولکولی بگوید که مهم‌ترین کار علمی تورینگ، انتشار مقاله سال ۱۹۳۶ او در خصوص "ماشین تورینگ" است که پیوند محکمی با درک نحوه عملکرد سلول‌های حاوی DNA دارد. یک بیوفیزیکدان از طرفی شاید تلاش‌های تورینگ را در سال ۱۹۵۲ روی تولید الگوهای زیستی و انجام نخستین شبیه‌سازی سیستم‌های دینامیک غیر خطی مورد توجه قرار دهد؛ اما تورینگ، در پس همه این دستاوردها هدفی جز احیای روح کریستوفر مارکوم (Christopher Morcom)- احتمالاً از طریق یک نرم‌افزار رایانه‌ای- نداشت. او تنها دوست واقعی‌اش بود که در ایام نوجوانی‌‌شان، ناگهان از دنیا رفت. تورینگ می‌گفت می‌خواهم یک مغز بسازم. همین حرف را الکتروفیزیولوژیستی به نام هنری مارکرام (Henry Markram) هم گفته است، اما هنوز بحث و جدل‌های فراوانی راجع به امکان تولید نوعی از هوش مصنوعی که صادقانه مثل شبکه اعصاب مغز انسان عمل کند و یا دست‌کم رقیب مغز باشد، ادامه دارد.

حتی زمانی که تورینگ، سرش گرم رمزگشایی از پیغام‌ها در زمان جنگ جهانی دوم و اجرای فاز عملیاتی ساخت رایانه چندمنظوره‌اش بود، خوب این را می‌دانست که در سال ۱۹۳۶ موفق به کشف چیز مهم‌تری شده است: جهان حساب‌ناپذیر. فیزیک معاصر هنوز خود را درگیر پیامدهای چنین کشف بزرگی نکرده است.

معلوم است که کسی با ذکاوت و بازیگوشی تورینگ که بی‌محابا وارد هر رشته‌ای می‌شد که ابزارآلاتش او را درگیر خود می‌کردند، جهان‌بینی تازه‌ای را بنیان نهاد که پای اصول علم متعارف- از قبیل واقعیت فیزیکی و علیت نیوتونی- را به ورطه‌های ژرفی کشاند. در نوشتاری از بری کوپر (Barry Copper) که در ادامه خواهید خواند، نگاهی به جهان حساب‌ناپذیر تورینگ و امکان زایش جهان‌بینی‌های نوظهور علمی می‌اندازیم.

واقعیت حساب‌ناپذیر

بری کوپر: آلن تورینگ در مقاله معروف خود به سال ۱۹۳۶، محدودیت‌هایی را پیش پای امور محاسباتی قرار داد. در ماشین‌های تورینگ که او موفق به پیاده‌سازی الگوریتم‌های متناهی در آن‌ها شده بود، داده‌ها به شکل اعداد حقیقی کدگذاری می‌شدند و هرچند که جبری عمل می‌کردند، اما برخی نتایج نامتعارف به دست می‌دادند. می‌توان ماشین جهان‌شمولی ساخت که پیرو هر نوع دیگری از ماشین‌های تورینگ باشد، اما برای تمامی سؤالات‌تان پاسخ منطقی نخواهد داشت: مثلاً نمی‌توانید پیش‌بینی کنید او یک عدد مشخص به دست خواهد داد، یا یک سری از اعداد. جالب اینجاست که پای جهان‌بینی نیوتونی ما در علم فیزیک هم دقیقاً همان زمانی می‌لنگد که نگرش منطقی و محاسبه‌پذیر ریاضی متوقف می‌شود. معضلات تأمل‌برانگیز فیزیک کلاسیک از قبیل مسیر غیرقابل پیش‌بینی سه جسم حین برخورد به یکدیگر، احتمالاً مربوط به همین حساب‌ناپذیری می‌شود. نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، جهان حساب‌پذیر تازه‌ای با مهمانانی شگفت‌انگیز از قبیل سیاهچاله‌های چرخنده معرفی کرد. مکانیک کوانتومی هم به ما گفت که محاسبات، ذاتاً نامعین هستند.

مفهوم حساب‌پذیری، مفهوم بنیادینی در علم مدرن، از گرانش کوانتومی گرفته تا هوش مصنوعی به شمار می‌رود. این مفهوم حتی به جهان روزمره‌مان که در آن تشخیص معضلاتی که تعیین یک جواب قطعی برایشان صرفاً "دشوار" است با معضلاتی که به کمک هیچ ماشینی هم نمی‌توان به حل‌شان پرداخت، ارتباط پیدا می‌کند. حساب‌ناپذیری می‌تواند علم اقتصاد را هم به زحمت بیاندازد، چراکه عدم امکان کنترل بازارهای پرهرج و مرج، می‌تواند تبعات ویرانگری به بار آورد. در واقع همین سرحدات منطقی، مانع از دسترسی‌مان به نگرشی جامع از نقش حساب‌ناپذیری در جهان روزمره می‌شود.

پدیده‌های شکوفنده

تورینگ علاقه وافری به وجه ریاضیاتی عمل محاسبه و همچنین پیاده‌سازی آن در جهان مادی- که میزبان ریاضیات است- داشت. همین، پس‌زمینه‌ای بود که تمام کارهایش را به هم ارتباط می‌داد، از ماشین‌ها گرفته تا مغز انسان و پدیده مورفوجنسیس (به معنای قابلیت زیست‌شناختی یک موجود زنده در پروراندن شکل ظاهری خود). هرچند که ریاضیدانان و مهندسین نرم‌افزار فراوانی شاید این موضوع را چیز بی‌ربطی بدانند، اما همگرایی، کلید توصیف جهان فیزیکی است.

مثلاً فرآیند تلاطم را فرض بگیرید: رودخانه‌ای که با ریزش باران‌های سیل‌آسا طغیان می‌کند، گه‌گاه به شکل‌های شگفت‌انگیزی درمی‌آید که ما با توجه به دینامیک حاکم بر جریانات آبی، انتظار وقوع‌شان را نداشتیم. دلیل این پدیده را بایستی در وابستگی وقایع به هم دانست: ارتباطات غیر مکانی، بر حرکت آب تأثیر می‌گذارد. تلاطم و دیگر پدید‌ه‌های "شکوفنده" غیر خطی را نمی‌توان با یک ماشین تورینگ محاسبه کرد. راه‌راه‌های نقش‌بسته بر پوست گور خرها و قیافه ماهیان گرمسیری که تورینگ در معادلات دیفرانسیل خود در خلال سال‌های ۱۹۵۲ تا ۵۴ راجع به پدیده مورفوجنسیس توصیف کرده بود هم به‌همین‌شکل ایجاد می‌شوند.

با این وجود، حتی در سیستم‌های غیر خطی هم این رفتار فرامحاسباتی و پیچیده، یک پدیده عِلی محسوب می‌شود؛ یعنی یک پدیده، علت وقوع پدیده‌ای دیگر است. لذا می‌توان توصیفات معینی از جهان کوانتومی گرفته تا جهان ماکروسکوپیک را به کار بست، اما مدل‌سازی از چگونگی تحول پدیده‌های پیچیده‌تر، به هر روشی جز از طریق یک نگرش جامع‌نگرانه، کار دشواری است. سر و کله این معضلات، در کلیه مدل‌سازی‌هایمان از جهان طبیعی پیدا می‌شود.

جهان هستی هم مثل یک رودخانه متلاطم است و رفتارش تحت سیطره تمام ارتباطات موجود، در همه مقیاس‌هاست. جهان، حاوی اَشکال فراوانی از ظهور علیت است که با استحاله‌های فازی از یک سطح به سطح دیگر، به هم ارتباط پیدا می‌کنند. علم امروز و زیربنای مکانیکی آن، که به واسطه قوانین ثابت و تغییرناپذیرش تعامل خوبی با هم دارند، در مقیاس‌های کوانتومی زبان هم را نمی‌فهمند. پدیده‌های زیست‌شناختی هم از جهان کوانتومی شکفته می‌شوند، اما محاسبه چنین فرآیندی، از سطح کوانتومی ممکن نیست. ما جزئی از یک کل اندام‌مندیم؛ جزئیاتش زیادند، اما همگی‌شان به هم ارتباط پیدا می‌کنند.

در سرتاسر این مرزبندی‌ها، روابط پیچیده‌تر را می‌‌شود از طریق روابط ساده‌تر توضیح داد، اما با نگاه انداختن از روابط ساده به پیچیده، نمی‌توان دست به تعیین مسیر علیت زد. مثلاً اصل عدم قطعیت، مانع از ارائه یک توصیف کامل از وضعیت یک ذره در لحظه‌ای خاص می‌شود. برای ارائه هر توصیفی، بایستی دست به انجام محاسبه زد، اما ما قادر به انجام محاسبه در چنین محیطی نیستیم. در جهان تورینگ، توصیف واقعیت، همواره برای انجام یک پیش‌بینی محاسبه‌پذیر، کفایت نمی‌کند.

طبیعت، روش‌های محاسباتی تازه‌ای را، از مقیاس‌های کیهانی گرفته تا مغز انسان در اختیارمان می‌نهد. تورینگ، درصدد احداث یک منطق سلسله‌مراتبی برای فهم بهتر محاسبات، از طریق جهش‌های بی‌واسطه و غیر قابل پیش‌بینی بود. پژوهشگرانی که امروزه با ماشین‌های هوشمند سر و کار دارند، امکانات امیدوارکننده‌ای را در این روش می‌بینند، اما معضلات فعلی موجود در نظارت بر رفتارهای پیچیده‌تر، هنوز چالش‌های بزرگی را در مسیر اجرای چنین رهیافتی پیش کشیده است.

به سوی همگرایی

میلیون‌ها سال طول کشیده تا طبیعت، مغز بشر را به وجود آورد. حال، ما بایستی در نادانی وابسته بودن‌مان به فرآیندهای کاملاً الگوریتمی زندگی کنیم. ما نیازمند وحدت بخشیدن به رهیافت‌های تجربی بیشتر در فرآیندهای محاسباتی و توجه تازه‌تر به محاسبات همگرایانه هستیم؛ کمااینکه در مقالات علمی مربوط به اواخر عمر تورینگ، در دهه پنجاه میلادی راجع به هوش مصنوعی و پدیده مورفوجنسیس هم پیش‌بینی شده بود.

پل‌هایی که بین ریاضیدانان و فیزیکدانان زده می‌شود اهمیت دارد، به شرطی که واقعاً این پل‌ها را بزنیم. مدت‌ها از آن روزهایی گذشته که کورت گودل (Kurt Gödel) و آلبرت اینشتین در تالارهای دانشگاه پرینستون به صحبت با هم مشغول بودند. ریاضیدانان می‌توانند مدل تورینگ را راجع به ساختارهای علیتی در دستور کار خود قرار بدهند. این کار به فیزیکدانان نیز در کشف توصیفات بهتری از جهان هستی کمک خواهد کرد و تعبیر جهان‌های موازی و فرضیه‌های ابرجهانی را به دور خواهد ریخت و قسمت‌های قراردادیِ مدل استاندارد ذرات بنیادی را هم تثبیت می‌کند.

سامسون آبرامسکی (Samson Abramsky)، دانشمند علوم رایانه‌ای دانشگاه آکسفورد، اخیراً پرسیده بود: "چرا دست به محاسبه می‌‌زنیم؟" فرآیند محاسبه‌ای که تورینگ تعریف کرده، به خودیِ خود دست به "تولید" نتایجی نمی‌زند که در اطلاعات اولیه‌مان حضور ندارند. پس آیا این "اطلاعات" است که در فرآیند محاسبه تولید می‌شود؟

اگر جهان را با چشمان جدیدی بنگریم و به محاسبات‌مان اجازه بیان کامل بدهیم، شاید به نتایج حیرت‌انگیزی برسیم.

منبع: nature

پانوشت:

بری کوپر (نویسنده مقاله حاضر)، استاد دانشکده ریاضیات دانشگاه لیدز انگلستان است.

توضیح تصویر:

بخشی از طرح Andy Potts برای مجله nature

ذره‌ای سریع‌تر از سرعت نور؟

arezoo — Sat, 24 Sep 2011 16:07:32 +0000

کر تان (Ker Than)

برگردان:

احسان سنایی

کر تان (Ker Than) - به‌گفته دانشمندان، ذراتی موسوم به نوترینو- که به ارواح دنیای ذرات زیراتمی مشهورند توانسته‌اند حرکتی سریع‌تر از سرعت نور را به نمایش بگذارند. اگر این مشاهدات از در تأیید درآید، آنگاه این یافته یکی از اصلی‌ترین قوانین فیزیک را که توسط "آلبرت اینشتین"، حدود یک‌صد سال پیش پی‌ریزی شده بود را نقض خواهد کرد.

"اکثر نظریه‌پردازان بر این باورند که هیچ چیزی نمی‌تواند از نور سبقت بگیرد. پس اگر این یافته حقیقت داشته باشد، ستون‌های فیزیک را به لرزه درخواهد آورد." این را استفان پارک (Stephan Parke)، سرپرست دپارتمان فیزیک نظری پژوهشگاه آمریکایی فرمی‌لب در نزدیکی شیکاگو می‌گوید.

مثلاً مقالات "پروتون ریزتر است؟" یا "انفجاری که ستون‌های فیزیک را لرزاند" را بخوانید. وجود ذرات سریع‌تر از سرعت نور ضربه مهلکی را به نظریات علمی مرتبط با روابط علت و معلولی خواهد زد. پارک در این‌ زمینه می‌گوید: "اگر چیزی سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند، آنگاه A می‌تواند B را سبب شود، اما B هم می‌تواند A را موجب شده باشد. اگر اینطور شود، آنگاه مفهوم علیت دچار ابهام خواهد شد و مشکلاتی فراوانی را پیش خواهد کشید."

هیئت علمی "پروژه نوسان‌سنجی از طریق دستگاه تعقیب امولسیون" یا OPERA، وابسته به سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (CERN)، در پیش‌نویس مقاله‌ای که هفته گذشته در وب‌سایت arXiv منتشر شد، به شرح نحوه تشخیص این نوترینوی نامتعارف پرداخته‌اند. این تیم، نوترینوها را از شتاب‌دهنده‌ای در نزدیکی شهر ژنو سوئیس شلیک کردند و به محاسبه مدت‌زمان رسیدن‌شان تا شتاب‌دهنده دیگری در منطقه "گران ساسو"ی ایتالیا، در فاصله 724 کیلومتری از شهر ژنو پرداختند.

نوترینوها، ذرات زیراتمی کوچکی با جرم تقریباً صفر هستند که چنان از فواصل مابین اتم‌های سازنده یک سیاره می‌گذرند که گویی سیاره‌ای اصلاً در مسیرشان وجود نداشته است. با وجود فقدان تقریبی جرم، این ذرات با سرعتی "نزدیک" به سرعت نور حرکت می‌کنند که در حدود 299 هزار و 338 کیلومتر بر ثانیه است، اما تیم OPERA، با کمال شگفتی، لحظه رسیدن نوترینوها به شتاب‌دهنده مقصد را 60 نانوثانیه زودتر از مقدار پیش‌بینی‌شده تشخیص داد. یک نانوثانیه شاید عدد چندان قابل توجهی نباشد، اما به‌گفته پارک که در این تیم حضور نداشته، تأثیرات چنین اختلافی فوق‌العاده چشمگیر است. این سرعت اضافی بدین‌معناست که طی یک بازه ثابت زمانی و در مسافتی یک‌هزار کیلومتری، این نوترینوها 20 متر از مقدار متعارف‌شان بیشتر جابه‌جا می‌شوند.

به‌گفته پارک، اگر این یافته به تأیید قطعی برسد، نتایجی انقلابی در پی خواهد داشت، هرچند که خودش شک دارد این محاسبات اگر دقیق‌ و دقیق‌تر صورت بگیرند، بازهم همین نتایج تکرار شود. او می‌گوید: "اگر قمارباز بودم، حتماً روی این مسئله شرط می‌بستم. هرکسی که خبر این یافته را بشنود، پاسخش این خواهد بود که احتمالاً این حقیقت ندارد و باید حتماً اشتباهی در کار بوده باشد."

آیا مشکل از ابزارآلات بوده است؟

پارک، تنها فیزیکدان شکاک به این قضیه نیست. فیزیکدانان فراوانی مدعی‌اند که شواهد تیم OPERA، یا ناشی از اشکالات محاسباتی‌اند و یا خطاهای ابزاری. به‌گفته لوئی استریگاری (Louis Strigari)، از فیزیکدانان دانشگاه استنفورد، این نخستین باری نبوده است و نخواهد بود که چنین اشتباهاتی رخ می‌دهد. او می‌گوید: "چندین مورد بوده که هرچند آزمایشات هیچ عیب و نقصی نداشته‌اند، اما چندان توجه درخوری به تجهیزات دخیل در آزمایش نشده بود. فقط این مشکل وقتی مشخص می‌شود که با کسب داده‌های فزاینده، بیشتر می‌آموزید و اشراف بهتری به تجهیزات پیدا می‌کنید."

اما حتی تیم OPERA هم نسبت به نتایج آزمایش مزبور جانب احتیاط را گرفته و از سایر پژوهشگران جهان نیز خواسته تا آزمایش نوترینو را خودشان تکرار کنند. آنتونیو اردیتاتو (Antonio Ereditato) از اعضای تیم OPERA، به بی‌بی‌سی گفت: "فقط از همه می‌خواهیم تا به درک بهتر نتایج نامتعارف‌مان کمک کنند؛ چراکه واقعاً نامتعارف است."

دیوید گولدبرگ (Dave Goldberg)، اخترفیزیکدانی از دانشگاه درکسل پنسیلوانیا می‌گوید اگر این نوترینوها واقعاً وجود داشته باشند، تا به‌حال می‌بایستی در طبیعت مشاهده شده باشند. مثلاً در سال 1987، آشکارسازهایی که روی زمین مستقر بوده‌اند، نوترینوها و فوتون‌های ناشی از یک انفجار ستاره‌ای را به ثبت رساندند. هر دو دسته از این ذرات، حدوداً همزمان به سیاره ما رسیدند. طبق محاسبات گلدبرگ، اگر نوترینوها به‌میزان مشخص‌شده در آزمایش تیم OPERA، کمی سریع‌تر از نور حرکت می‌کردند، می‌بایستی آن‌ها را در سال 1984- یعنی سه سال قبل از تشخیص فوتون‌ها- تشخیص داد. او می‌گوید: "امکانش هست، اما بعید است آشکارسازهایی که در آن زمان بر زمین مستقر بوده‌اند، چنین خیز واضحی را در فراوانی نوترینوهای کیهانی تشخیص نداده باشند." او قبول دارد که نوترینوهای ناشی از این انفجار، انرژی کمتری نسبت به نوترینوهای آزمایش‌شده دارند و لذا آهسته‌تر حرکت می‌کنند، اما وی‌ می‌افزاید: "حتی با فرض بر اینکه حرف اینشتین صحیح بوده باشد، هر دو نوع از این نوترینوها با سرعتی در حدود 999999999/99 سرعت نور حرکت می‌کنند. به عبارت دیگر از نقطه‌نظر محاسبات زمینی، آن‌ها با سرعت‌های اساساً یکسانی حرکت می‌کنند."

نسبیت به حقیقت نزدیک است

به‌گفته استریگاری، حتی هم اگر نتایج آزمایش تیم OPERA توسط دیگر فیزیکدانان مورد تأیید قرار گیرد، هرگز توان ابطال نظریات نسبیت عام و خاص اینشتین را پیدا نخواهد کرد. این نظریات، همچنان دایره‌ای وسیع از پدیده‌های دیده شده در جهان هستی را به‌درستی توصیف می‌کنند. او می‌گوید: "به گمانم مدت‌هاست مشخص شده که نظریات فعلی هنوز پاسخگوی تمامی پرسش‌ها نیستند. اگر این مشاهدات مورد تأیید قرار گیرد، آنگاه احتمالاً مدرک مهمی برای ضرورت بازبینی این نظریات به دست خواهد آمد."

گلدبرگ هم قبول دارد که فیزیکدانان به این زودی‌ها نمی‌توانند نظریات اینشتین را فراموش کنند. او می‌گوید: "حتی هم اگر نسبیت عام، اشتباه از آب در بیاید، باز هنوز هم فوق‌العاده به حقیقت نزدیک است."

منبع: National Geographic

توضیح تصویر:

کارگران، مشغول ساخت تفنگ نوترینویی CERN در سال 2005 / منبع: Maximilien Brice, CERN