8- تصویر جهان در فیزیک دیروز امروز به زبان ساده (روایت دکتر ناصری)

 • تصویر جهان در فیزیک دیروز چگونه بود؟
1- تجربه نشان می دهد که یک توپ ساکن نمی تواند بدون علت از حالت سکون خارج شود. اگر ضربه ای به آن وارد شود شروع به حرکت خواهد نمود. در این حالت، خروج توپ از حالت سکون (معلول) به خاطر ضربه ای خواهد بود که بر آن وارد شده است (علت). مشاهدات و تجربیات مشابه نشان می دهند که هر معلولی ناشی از علتی است. ترک شیشه، اوجگیری هواپیما، شروع جنگ، صعود بالون، سقوط اقتصادی، دزدی سارق، ابرقدرتی یک کشور، شیوع بیماری و غیره همگی معلول هایی هستند که علت هایی آنها را پدید آورده اند. در علم امروز هر پدیده ای که براساس قانونی اتفاق بیافتد یک پدیده نظم دار شناخته می شود و نظمی را که ناشی از قانون علت و معلول باشد، نظم علت و معلولی می نامند که دست کم در مورد تمام پدیده های ملموس ما در جهان صدق می کند. اعتقاد بر این است که ما در یک جهان کاملاً قانوندار و با نظم و ترتیب بسر می بریم، جهانی که در آن هیچ پدیده ای بدون علت اتفاق نمی افتد.
حدود دو و نیم قرن قبل، نیوتون به گونه ای خاص نظم عالم را به تصویر کشید که به "دیدگاه مکانیکی" شهرت یافت. این دیدگاه جهان را به یک ماشین عظیم تشبیه می کند که کار آن براساس نظم و اصول خاصی است. اساس دیدگاه مکانیکی بر سه قانون استوار است که اثرات اجزاء یک سیستم (مثلاً ماشین جهان) را به زبان ریاضی بیان می کنند. این سه قانون به قدری فیزیک قرن 17 را متحول ساخت که کم کم فیزیک آن روز به "فیزیک نیوتونی" مشهور شد. اساساً از همین ایام هست که علمی به نام فیزیک نظری رسماً شکل می گیرد و به عنوان فیزیک کلاسیک موجودیت پیدا می کند. در نبوغ نیوتون همین بس که وی ریاضیات مورد نیاز برای توضیح تئوری اش را نیز خود ابداع می کند که به "ریاضیات دیفرانسیلی" معروف است.
در تصویری که دیدگاه مکانیکی از جهان ارائه می کند عالم از ذرات مادی جامد تشکیل می شود که در فضا و زمان در حرکتند و بر روی هم اثر می گذارند. سه قانون نیوتون نیز چگونگی حرکت اجزاء ماشین جهان و اثرات متقابل آنها بر روی همدیگر را توصیف می کنند. تعریف نظم نیز در این دیدگاه بسیار ساده است: هر پدیده ای که بر طبق قوانین سه گانه اتفاق بیافتد دارای نظم است. دانشمندان زیادی شدیداً تحت تأثیر قرار گرفتند و مدت زیادی طول نکشید که دیدگاه مکانیکی نیوتون به تمام شاخه های علم رسوخ یافت و موجب تحول اساسی آنها گشت. در این میان لاپلاس ریاضی دان مشهور فرانسوی توانست به کمک تئوری نیوتون مسیر سیاره های منظومه شمسی را به طور دقیق محاسبه کند. دقت این محاسبات به قدری بالا بود که لاپلاس چنین اظهار نمود : "اگر وضعیت فعلی جهان را بدانیم، وضعیت آینده و گذشته آن را نیز خواهیم توانست محاسبه کنیم."
محاسبات لاپلاس موجب شد که نظریه "جهان محاسبه پذیر" وارد علم و فلسفه گردد که اعتقاد داشت تمام پدیده های جهان قابل پیش بینی است. بعد از محاسبات لاپلاس دیگر کاملاً بجا بود که جهان به ساعت تشبیه گردد و تفکر "جهان ساعت گونه" جای خود را در فیزیک و فلسفه باز نماید. لیکن باید توجه داشت که تصور محاسبه پذیر بودن همه اتفاقات و پدیده های جهان بدان معنی خواهد بود که همه اتفاقات و پدیده های جهان را از قبل تعیین شده فرض نماییم. به عبارت دیگر، باید کار جهان را مشابه کار ساعتی بدانیم که نمی تواند خارج از برنامة از قبل داده شده به آن (یا از قبل طراحی شده) عملی انجام دهد.
نیوتون معتقد بود که ساعت جهان از قبل کوک و تنظیم شده است و حرکت اجزاء آن را هم ناشی از اثرات مستقیم همان اجزاء بر همدیگر می دانست. وی کوک و تنظیم اولیه را به خدا نسبت می داد و بر این باور بود که همه چیز با تنظیم قبلی و با برنامه ای از قبل طراحی شده به حرکت خود ادامه می دهد به طوری که تمام اجزاء به طور خودکار در حرکت و فعالیتند. بدین ترتیب، پایگاه تفکر "جهان محاسبه پذیر" روز به روز قوی تر شد. دیگر هر پدیده جهان، از مسیر حرکت یک الکترون گرفته تا جابجایی کهکشانها، همگی از قبل تعیین شده پنداشته شد. در این میان، تولد چنگیز و کوروش، فروپاشی شوروی، اتحاد آلمان، تبدیل ستاره ای به حفره سیاه، مرگ بودا، حکومت وحشتناک کشیشان به اسم مذهب، استقلال هند به دست گاندی، قتل امیرکبیر، نخست وزیری مصدق، رهبری جواهر لعل نهرو، قطع نسل سرخپوستان، جنگ هشت ساله ایران- عراق و... همه را باید از قبل تعیین شده بدانیم!
علیرغم توانایی های بسیار بالای تئوری نیوتون، فیزیکدان های اواخر قرن 19 متوجه بودند که این تئوری قادر به پاسخگویی به پاره ای از سئوالات نیست. آنچه موجب پیدایش این اندیشه و رواج بعدی آن در جامعه علمی شد ورود تئوری جدیدی به نام تئوری کوانتوم بود که پایه های آن را ماکس پلانک در سال 1900 میلادی پایه ریزی نمود. پنج سال بعد (یعنی در سال 1905) آلبرت انیشتین تئوری دیگری به نام "نسبیت خاص" ارائه نمود که تفکر ما را در مورد دو مقوله فضا و زمان به کلی تغییر داد. مدتی بعد، با وارد کردن موضوع جاذبه به تئوری سابق خود، حالت کامل تر و عمومی تر تئوری اش را با عنوان تئوری "نسبیت عام" به دست آورد و آن را در سال 1916 معرفی نمود. در بخش بعدی به این مقولات می پردازیم و اثرات آنها را در شکل گیری تفکر امروز بشر مورد بحث قرار می دهیم.
• تصویر جهان در فیزیک امروز (تئوری نسبیت)
2- تئوری نسبیت خاص یکی از دو تئوری مهم فیزیک مدرن است که انیشتین با ارائه آن در سال 1905 برداشت ما را از فضا، زمان ماده و انرژی به طور اساسی تغییر داد. به زبانی ساده، این تئوری عبارتست از علم مکانیک جدید که جایگزین مکانیک نیوتونی شده است و اشیاء مادی، حرکت و نور را بررسی می کند. برخلاف مکانیک نیوتونی که به فضا و زمان به عنوان کمیت های مستقل و مطلق می نگرد، در تئوری نسبیت فضا و زمان به هم پیوسته اند و یک چارچوب یا یک محیط پیوستة چهار بعدی به نام "فضا- زمان" را تشکیل می دهند. دیگر اصطلاحاتی مانند گذشته، حال و آینده مفاهیم عادی خود را از دست می دهند چرا که تئوری نسبیت خاص نشان می دهد که ناظرهای مختلف برداشت های مختلفی از زمان وقوع یک اتفاق مشخص دارند و بسته به سرعت حرکت ناظرها نسبت به همدیگر، آنچه برای فردی در گذشته اتفاق افتاده برای فرد دیگر در آینده یا حال اتفاق می افتد. همچنین، موضوع همزمانی اتفاقات دیگر چندان معنی دار نیست چرا که اگر من و شما یک اتفاق مشخص را شاهد باشیم و به فرض من نسبت به شما با سرعت بالایی حرکت کنم دیگر آن اتفاق را همزمان درک نخواهیم کرد. در قسمت های بعدی کتاب چند مثال در این مورد خواهیم آورد. نکته بسیار مهم تر اینکه تئوری نسبیت ناظر را هم وارد بحث می کند. برخلاف دیدگاه مکانیکی که جهان را ماشینی تعبیر می کند که مستقل از وجود ناظر به کارش ادامه می دهد، در تئوری نسبیت خاص ناظر قسمتی از رویداد است. همانگونه که بعداً خواهیم دید این موضوع اثرات عمیقی بر فلسفه و برداشت ما از جهان گذاشته است.
نوآوری دیگر انیشتین در تئوری نسبیت خاص ارتباط دادن ماده به انرژی است. معادله مشهور انیشتین (2E = mc) دست آورد همین تئوری است. طبق این معادله، ماده همان انرژی و انرژی همان ماده است. به عبارت دیگر، در فیزیک کلاسیک ذرات انهدام ناپذیر فرض می شوند ولی در تئوری نسبیت ذرات را می توان به انرژی خالص تبدیل نمود و بعکس. یعنی انرژی را هم می توان به ماده تبدیل کرد. نیروگاه هسته ای و بمب اتمی براساس همین معادلة بسیار ساده انرژی ماده را آزاد می کنند.
اینجا خالی از لطف نخواهد بود که اندکی از موضوع اصلی منحرف شویم. اگر تئوری تکامل داروین و تئوری وراثت مندل در ژنتیک را به کنار بگذاریم، سه تئوری در فیزیک باعث سه انقلاب عظیم در برداشت ما از جهان شده اند و زندگی من و شما و حتی مرزهای کشورها را تعیین کرده اند. مثلا، اگر ژاپن قدرتمند است، اگر طالبان در افغانستان هستند، اگر در روسیه تخم مرغ نایاب می شود، اگر موشک و هواپیما وجود دارند، اگر آلمان دو نیم شد و دوباره یکپارچه، اگر شما در تهران زندگی می کنید، اگر کودک آفریقایی غذا ندارد، اگر انسان پا بر روی کره ماه گذاشته است، اگر من امروز کتابم را با کامپیوتر می نویسم، اگر شما متولد شده اید، اگر مادر و پدرتان همدیگر را دیده و پسندیده اند، اگر بچه همسایه سرطان گرفته است، اگر من هنوز زنده هستم، اگر آی سی ساخته شده است، اگر شوروی فروپاشیده است، اگر دالای لاما بودایی است و میلیاردها اگر دیگر، همه و همه بابت سه تئوری است: تئوری نیوتون، تئوری کوانتوم و تئوری نسبیت. جالب است که هریک از این تئوری ها یک معادله فوق العاده ساده دارند: معادله F = m.a در تئوری نیوتون، معادله E = h.f در تئوری کوانتوم و معادله 2E = mc در تئوری نسبیت. آری، اگر امروز شما شمایید، من منم، همة چیزها همة چیزها هستند، به خاطر همین سه معادله فوق العاده ساده و بی نهایت زیبا است. کمی فکر کنید. حتی یک مثال در ارتباط با بشر نمی توان آورد که این سه معادله اثر نگذاشته باشند. یک جملة دیگر: انقلاب بعدی در علم هم با یک معادله ساده اتفاق خواهد افتاد. کسانی که معادلات عجیب و غریبی کشف می کنند تنها بر روی جزئیات زندگی اثر می گذارند.
نکته دیگری که در مورد تئوری نسبیت باید مورد توجه قرار داد این است که این تئوری تنها به درد بررسی حرکتی می خورد که در آن سرعت ثابت باشد. بنابراین، این تئوری به درد بررسی نیرو نمی خورد چون نیرو وقتی تولید می شود که تغییر سرعت (یا شتاب) داشته باشیم. همچنین، برای سرعت های پایین اثرات نسبیت به قدری ناچیز است که می توان از آنها چشم پوشی نمود. تنها در سرعت های نزدیک به سرعت نور است که اثرات نسبیت چشمگیر می شوند. بنابراین، تئوری نسبیت چندان به درد کاربردهای زندگی روزمره ما نمی خورد.
همانطور که اشاره شد، به دنبال تئوری نسبیت خاص که حرکت اجسام را در سرعت های ثابت نسبت به همدیگر مورد مطالعه قرار می دهد، تئوری نسبیت عام به عنوان تئوری کامل تر ارائه گردید که می تواند حرکت اجسامی را که نسبت به هم سرعت های متغیری در زمان دارند بررسی نماید. شاید لازم به توضیح نباشد که تئوری اول انیشتین حالت خاص تئوری دوم وی است. می دانیم که تغییر سرعت در زمان به معنی حرکت شتابدار است و به هر جسمی با حرکت شتابدار نیرویی برابر حاصلضرب جرم آن جسم در شتابش وارد می شود. بنابراین، آشکار است که تئوری نسبیت عام به بررسی نیروها (خصوصاً نیروی جاذبه) می پردازد. همچنین، این تئوری اثر ماده (یا انرژی) را بر روی ساختار فضا- زمان (و برعکس) بررسی می کند و به عنوان نمونه نشان می دهد که حضور ماده در هر نقطه ای از فضا موجب انحنای فضا (و زمان) در آن نقطه می شود. معلوم است که انحنای فضا نیز به نوبه خود موجب تغییر مسیر حرکت اجسامی خواهد شد که از نزدیکی همدیگر می گذرند.
هر چند که ما فضا را دارای سه بعد (طول، عرض و ارتفاع) می دانیم، برای درک موضوع بالا یک فضای دو بعدی را در نظر می گیریم. مثلاً، یک سفره پلاستیکی را تصور کنید که کاملاً کشیده شده است و هر گوشه آن بر روی پایه ای قرار دارد. پرتقالی را بر روی این سفره که تنها طول و عرض (دو بعد) دارد قرار می دهیم. مشاهده خواهیم کرد که سطح صاف سفره دچار فرورفتگی می شود یا به عبارت دیگر حضور ماده (پرتقال) فضای دو بعدی (سفره) را دچار انحناء می کند. حال توپ سنگینی مانند یک توپ بسکتبال را نیز بر روی همان سفره قرار می دهیم و طبیعی است که گودی (انحنای) چشمگیری در سطح سفره به وجود خواهد آمد. واضح است که هر قدر جسم بزرگتر (یا جرم آن بیشتر) باشد مقدار انحنای فضا بیشتر و وسعت فضای درگیر شده گسترده تر خواهد بود. اکنون پرتقال را برمی داریم و از یک لبه سفره به طرف توپ بسکتبال می غلتانیم به طوری که از کنار توپ رد شود. پرتقال در مسیری مستقیم حرکت خواهد کرد و در رسیدن به گودی (فضای منحنی) ناشی از حضور توپ، از مسیر مستقیم خود منحرف خواهد شد و طی یک حرکت مارپیچ به طرف توپ سقوط خواهد کرد. دلیل این حرکت مارپیچ پرتقال کاهش انرژی پرتقال در اثر اصطکاک با سطح سفره است. بنابراین، اگر سرعت (یا انرژی) اولیة پرتقال زیاد باشد، مسیر پرتقال دچار انحراف خواهد شد ولی بر روی توپ سقوط نخواهد کرد.
به طور کلی، بسته به شدت انحنای فضا (یا مقدار جرم جسمی مانند توپ که در آن قسمت از فضا حضور دارد) و مقدار انرژی اولیه جسم دیگر (مثلا پرتقال) که به طرف جسم اول در حرکت است، سه حالت ممکن است اتفاق بیافتد: جسم متحرک بر روی جسم بزرگتر سقوط کند (مانند سقوط سنگ های آسمانی بر روی زمین)، جسم متحرک در مداری بر گرد جسم بزرگتر بگردد (مانند گردش ماه به دور زمین)، یا جسم متحرک تنها دچار انحراف از مسیر بشود (مانند انحراف نور ستارگان دوردست در عبور از کنار خورشید). حرکت تمام سیارات در حول ستارگان با همین مکانیزم و ناشی از انحنای شدید و گسترده فضای اطراف ستارگان است. در کسوف سال 1919، انحراف مسیر نور یک ستارة دوردست مورد مشاهده قرار گرفت (همان شکل) و مهر تاییدی بر تئوری نسبیت گذاشت و جایزه نوبل فیزیک آن سال را از آن انیشتین نمود.
ملاحظه می شود که انحنای سفره (فضا) دقیقاً همان اثر نیروی جاذبه را دارد. به عبارت دیگر، جاذبة یک جسم مترادف است با انحنای فضای اطراف آن جسم: هرقدر انحناء بیشتر باشد (در اثر بزرگی جرم)، جاذبه شدیدتر خواهد بود. حال اگر فضای دوبعدی سفره با فضای سه بعدی ملموس خودمان جایگزین گردد همان چیزی به دست می آید که تئوری نسبیت عام ارائه می کند و در نتیجه جرم، هندسة فضا و نیروی جاذبه به هم مربوط می شوند. هر جایی که جرم (یا انرژی) حضور داشته باشد باید انحنای فضا هم موجود باشد. برعکس، هرجا که انحنای فضایی ملاحظه شود باید در جستجوی جرم (یا انرژی) در آن مکان باشیم. مثلاً، همینکه بدانیم شعاع نوری که از فلان ستاره به ما می رسد در قسمتی از مسیرش دچار انحراف می شود، بدان معنی است که جرم (یا انرژی) پنهان یا آشکاری در آن حوالی وجود دارد که موجب آن انحراف می شود.
با توجه به این بحث و نظر به اینکه تقریباً همه جا جرم (یا انرژی) وجود دارد، دیگر فضای بدون انحناء (یا مستوی) تئوری نیوتون چندان به درد نخواهد خورد و باید جای خود را به فضای منحنی تئوری نسبیت عام بدهد. بنابراین، هندسه اقلیدسی که تنها در مورد سطوح مستوی صدق می کند و در تئوری نیوتون به کار گرفته می شود نیز باید با هندسه دیگری جایگزین شود که بتواند سطوح منحنی را بررسی کند. این هندسه به افتخار بنیانگذار آن یعنی ریمان به هندسه ریمانی شهرت دارد. ریمان ریاضیدان مشهور و خجالتی آلمانی بود که این هندسه را در سال 1854 ارائه نمود. و جالب است بدانید که ریمان پنجاه سال قبل از انیشتین نیرو را به انحنای فضا ارتباط داده بود. در دفتر 5 بیشتر به این موضوع می پردازیم.
اصطلاحاً، فضای مسطح را که هندسه اقلیدسی در مورد آن صدق می کند فضای اقلیدسی و فضای منحنی را که تنها به کمک هندسه ریمانی قابل بررسی است فضای ریمانی می نامند. ما از همان دوران کودکی با هندسه اقلیدسی که درک آن راحت تر است و کاربرد زیادی هم دارد آشنا می شویم و برایمان مشکل است که نتایج و تبعات هندسه ریمانی را درک کنیم. اینجا باید تاکید شود که هندسه اقلیدسی غلط نیست و تا آنجایی که با سطوح مستوی سروکار داریم کاملاً درست است ولی اصول این هندسه در مورد سطوح منحنی نادرست است. به عنوان مثال، در هندسه اقلیدسی (سطح صاف) کوتاهترین فاصله بین دو نقطه خط مستقیمی است که آن دو نقطه را به هم وصل می کند و بر روی آن سطح قرار دارد.
حال آنکه در هندسه ریمانی (بر روی سطح منحنی) چنین نیست. مثلاً، بر روی کره زمین، کوتاهترین فاصله بین تبریز و زاهدان خطی است که از درون زمین عبور می کند و بر روی سطح کره زمین قرار ندارد. یعنی، برخلاف هندسه اقلیدسی، خطی که برروی سطح زمین قرار گرفته و تبریز را به زاهدان وصل می کند کوتاهترین فاصله نیست. بنابراین، در فضای منحنی دیگر خط مستقیم نمی تواند وجود داشته باشد.
به عنوان مثال، می دانیم که یک پرتو نوری همیشه کوتاهترین فاصله را انتخاب می کند. حال اگر در مسیر نور، جسمی با جرم بسیار بزرگ وجود داشته باشد، انحنایی در فضا به وجود خواهد آمد و لذا نور یک مسیر منحنی را خواهد پیمود. از دیدگاه فیزیک کلاسیک، انحنای مسیر نور ناشی از جاذبه جسم فوق است ولی از نظر فیزیک جدید جسم مذکور موجب خمیدگی فضا و در نتیجه انحنای مسیر نور خواهد شد.
گفتنی است که انحنای فضا می تواند مثبت، منفی و یا صفر باشد. در حالت سوم همان صفحه مسطح را خواهیم داشت که بر روی آن اصول هندسه اقلیدسی صادق خواهند بود. این نشان می دهد که هندسه اقلیدسی حالت خاصی از هندسه ریمانی است (حالتی که انحنای سطح صفر است).
برای درک تفاوت این سه نوع فضا توجه کنید که در فضای مسطح (انحنای صفر) اندازه مجموع زوایای یک مثلث برابر 180 درجه است، از هر نقطه ای در خارج یک خط تنها یک خط موازی می توان رسم کرد که خط اول را قطع نکند، کوتاهترین فاصله بین دو نقطه یک خط مستقیم است که آن دو نقطه را به هم وصل می کند و غیره.
در فضای با انحنای مثبت (مانند سطح یک کره) اندازه مجموع زوایای یک مثلث بیشتر از 180 درجه است، از نقطه ای خارج یک خط هرگز نمی توان خطی موازی آن خط رسم کرد چرا که هر خط دیگری خط اول را قطع خواهد کرد، کوتاهترین فاصله بین دو نقطه یک خط منحنی است و غیره.
در فضای با انحنای منفی (مانند سطح یک زین اسب) اندازه مجموع زوایای یک مثلث کمتر از 180 درجه است، از نقطه ای واقع در خارج یک خط می توان بی نهایت خط رسم کرد که موازی خط اول باشند و غیره.
● تصویر جهان در فیزیک امروز (تئوری کوانتوم)
3- اواخر قرن نوزده مصادف بود با ایامی که دیدگاه اجزانگری شدیداً مورد توجه علم بود. این دیدگاه، دانشمندان فیزیک را تشویق می کرد تا در صدد کشف کوچکترین جزء مادة بی جان باشند، همانطور که زیست شناس ها به دنبال کشف کوچکترین جزء حیات بودند. از این رو، گروه اول سرگرم مطالعه اجزای اتم شدند و گروه دوم به اجزاء سلول پرداختند. کشف تئوری کوانتوم پیامد همین مطالعات بر روی ساختار و اجزا تشکیل دهنده اتم بود. به همین خاطر تئوری کوانتوم اساساً به دنیای داخل اتم تعلق دارد و اجزاء اتم و پدیده های مربوط به آنها را که اصطلاحاً "پدیده های کوانتومی" نامیده می شوند مورد بررسی قرار می دهد. در طی یک قرن از آغاز ورود این تئوری به عرصه علم و تکنولوژی، کارآیی و صحت آن به طور مداوم مورد مداقه قرار گرفته است و تا امروز موردی پیش نیامده است که ما را به رد این تئوری تشویق نماید. کاربردهای عملی آن نیز خود را به شکل ترانزیستور، آی سی، لیزر، میکروسکوپ الکترونی، انرژی هسته ای و... نشان داده است.
علیرغم تواناییها و کاربردهای عملی اثبات شده آن، این تئوری از همان آغاز برای بسیاری از متفکرین دردسرآفرین بوده است چرا که موضوعاتی را مطرح می کند که سازگاری چندانی با برداشت عادی ما از پدیده های اطرافمان ندارد. همین موضوع باعث شد که نیلزبوهر یکی از بنیانگذاران اصلی و معتقدین سرسخت تئوری کوانتوم چنین اظهار نظر کند : "اگر کسی بعد از خواندن تئوری کوانتوم دچار شوک نشود، این تئوری را درک ننموده است". هنوز هم فیزیک دان هایی هستند که تئوری کوانتوم را مورد انتقاد قرار می دهند و احساس ناخوشایند خود از این تئوری را پنهان نمی کنند.
از موارد جالبی که در تئوری کوانتوم با آن مواجه می شویم موضوع تجزیه مواد رادیو اکتیو است که یک فرآیند غیرقابل پیش بینی و باصطلاح "راندُم" می باشد. این بدان معنی است که وقتی یک اتم رادیو اکتیو (مثلاً اورانیوم) را در نظر می گیریم نمی توان زمان دقیق تجزیه آن را با قطعیت پیش بینی کرد چرا که ممکن است یک ثانیه بعد و یا یک سال دیگر اتفاق بیافتد. این عدم قطعیت در توضیح فرآیند رادیو اکتیو در مورد تمام پدیده های دنیای اتم (یا پدیده های کوانتومی) صدق می کند و ضربه بزرگی است به فیزیک نیوتونی. یادآوری می شود که در فیزیک نیوتونی عدم قطعیت جایگاهی ندارد چرا که همه پدیده ها محاسبه پذیر و قابل پیش بینی هستند و ما اساساً با یک جهان محاسبه پذیر طرف هستیم. شایان ذکر است که وقتی مجموعه ای از تعداد بسیار زیادی از اتم های رادیواکتیو را در نظر می گیریم، فرآیند تجزیه آن مجموعه را می توان به کمک علم احتمالات با دقت بالایی توضیح داد و مثلا گفت که در فلان مدت نصف آن مجموعه تجزیه خواهد شد. به عبارت دیگر، هرچند می توان گفت که نصفی از اتم ها تجزیه خواهند شد ولی هرگز نخواهیم توانست بگوییم که کدامیک از اتم ها تجزیه خواهند شد.
قبلاً تصور می شد که هر اتم ساختاری شبیه به منظومه شمسی دارد که الکترونها در مدارهای مشخص و ثابتی در اطراف هسته می چرخند. تئوری کوانتوم چنین برداشتی از اتم را منسوخ می کنند. دیگر یک الکترون در یک مسیر مشخص و ثابت حرکت نمی کند و بلکه لحظه ای در یک نقطه و لحظه دیگر در نقطه دیگر قرار دارد. این غیرقابل پیشی بینی بودن نه تنها در مورد الکترون بلکه تمام ذرات اتمی و حتی خود اتم صدق می کند. مثلاً نمی توان به طور همزمان محل و مسیر حرکت یک اتم را با قطعیت پیش بینی کرد. در حقیقت، مقوله عدم قطعیت اساس تئوری کوانتوم را تشکیل می دهد.
به خاطر همین عدم قطعیت است که پدیده های کوانتومی غیرقابل پیش بینی هستند. بنابراین، دیگر نمی توان گفت که اتفاق "آ" علتِ اتفاق "ب" است چرا که در دنیای کوانتوم می توان معلولی بدون علت داشت! به عبارت دیگر، مقولة "علت و معلول" چندان جایگاهی در دنیای کوانتوم ندارد. با این اوصاف، به نظر می رسد که هیچ نظم و انضباطی هم نباید حاکم بر دنیای اتم باشد.
همین عدم قطعیت و امکان وجود معلول بدون علت موجب شد که انیشتین به مخالفت با تئوری کوانتوم برخیزد و اعلام دارد که دنیای بدون نظمی که تئوری کوانتوم ارائه می کند نمی تواند واقعیت داشته باشد و لذا اظهار داشت که "خدا طاس بازی نمی کند". از طرف دیگر، بوهر که اعتقاد عمیقی به صحت تئوری کوانتوم داشت، نظری مخالف انیشتین ابراز می نمود دال بر اینکه "بر دنیای اتم نیز نظم حاکم است لیکن نظمی خاص که ما به آن عادت نداریم". بحثی که توسط انیشتین و بوهر آغاز شد هنوز هم در فیزیک ادامه دارد. البته، روز به روز به موارد بحث اضافه شده است و موضوعات دیگری را نیز شامل گشته است و از جمله این موضوع که آیا می توان اتم را "چیز" به حساب آورد؟ تا آنجائی که به برداشت عادی ما مربوط می شود لیوان "چیز" هست و چون هر لیوانی در نهایت از اتم ها ساخته شده است پس اتم هم باید "چیز" باشد. متاسفانه تئوری کوانتوم این توضیح را قبول ندارد چرا که هر "چیزی" دارای مکان مشخص و در صورت حرکت مسیر مشخصی است. لیکن نمی توان به طور همزمان هم محل و هم حرکت اتم را با قطعیت تعیین کرد.
برطبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که یکی از اصول بنیادی تئوری کوانتوم را تشکیل می دهد، هرگز نمی توان به طور همزمان هم سرعت و هم موقعیت (محل) یک ذره کوانتومی را با قطعیت تعیین نمود. هرقدر دقت ما در تعیین محل بیشتر باشد، خطای ما در تعیین سرعت نیز بیشتر خواهد بود و برعکس. لذا در هر لحظه تنها می توان یکی از دو مشخصه مکان و سرعت یک ذره کوانتومی و از جمله اتم را تعیین نمود. می توان پرسید که فلان اتم کجاست و جواب خیلی دقیقی نیز داد. همچنین می توان جواب دقیقی به سؤالی مانند "سرعت فلان اتم چقدر است؟" داد. لیکن پرسشی مانند "فلان اتم کجاست و در آن نقطه چه سرعتی دارد؟" پاسخی ندارد. با این برداشت، نمی توان یک اتم را "چیز" دانست. از نظر انیشتین اتم یک "چیز" است ولی از دیدگاه بوهر اتم یک "چیز" نیست مگر آنکه مورد مشاهده قرار بگیرد و تا وقتی که مورد مشاهده قرار نگرفته است تنها یک شبح خواهد بود و دیگر هیچ. نه تنها عمل مشاهده موجب می شود تا یک اتم (یا هر ذره کوانتومی دیگر) تبدیل به یک "چیز" بشود، بلکه این مشاهده کننده است که تصمیم می گیرد مکان اتم را تعیین کند یا حرکت آن را مشخص نماید.
پذیرفتن چنین تفکری در زندگی روزمره چندان راحت نیست. جای شک نیست که یک میز یا یک لیوان چه ما آن را مشاهده کنیم و چه نکنیم به عنوان یک "چیز" وجود دارد. به نظر می آید که مشاهده ما تنها گوشه ای از واقعیتی مانند اتم را به ما نشان می دهد، نه اینکه آن واقعیت را به وجود بیاورد. همین الان کتاب های قفسه پشت سر من وجود دارند حال آنکه من آنها را مشاهده نمی کنم. این جهان با کهکشانها و سیارات آن قبل از پیدایش انسان بر روی کره زمین موجود بوده اند و بعد از انقراض نسل بشر نیز ممکن است تا مدت ها وجود داشته باشند. حال، سئوال این است که چطور می شود که مجموعه ای از اتم ها که به تنهایی "چیز" نیستند یک "چیز" مانند مداد را به وجود می آورند. این مشابه مثال ماده رادیو اکتیو است که چطور می شود تجزیه یک اتم غیرقابل پیش بینی است ولی تجزیه مجموعه اتم ها قابل پیش بینی است؟ چه کیفیت ویژه ای در ناظر (مثلا انسان) وجود دارد که می تواند از مجموعه چند موجود شبح گونه ای که "چیز" نیستند تولید یک "چیز" بنماید؟ به طور خلاصه، ادعاهای تئوری کوانتوم مبنی بر "چیز" نبودن اتم ها، سازگاری چندانی با واقعیت ملموسی که من و شما داریم ندارند.
موضوع دیگری که بعضی از فیزیکدان ها و خصوصاً انیشتین را به مخالفت با تئوری کوانتوم وا می داشت (و هنوز هم وا می دارد) موضوع سرعت انتقال اطلاعات است. تئوری کوانتوم معتقد است که می شود اطلاعات را با سرعتی بالاتر از سرعت نور انتقال داد، حال آنکه طبق تئوری نسبیت هیچ چیز (حتی اطلاعات) نمی تواند سریع تر از نور حرکت کند. همین مطلب ناسازگاری دو تئوری اساسی فیزیک جدید (یعنی نسبیت و کوانتوم) را مطرح می کند. این ناسازگاری به حدی است که گاه آنها را به آب و روغن تشبیه می کنند.
انیشتین و دو تن از همفکرانش به منظور رد کردن امکان انتقال اطلاعات با سرعتی بالاتر از سرعت نور معمایی مطرح کردند که به معمای EPR مشهور شد. این معما را به طور بسیار خلاصه می توان چنین توضیح داد. دو الکترون را به طریقی به هم مربوط می کنند که این عمل در آزمایشگاه کاملاً مقدور است. حال، فرض کنید که آنها را از هم جدا کنیم و یکی را در همین جا باقی بگذاریم و دیگری را به یک کهکشان دیگر ببریم. برطبق تئوری کوانتوم، اگر اتفاقی بر سر یکی از این دو الکترون بیاید، الکترون دیگر "بلافاصله" متوجه خواهد شد. کلمه بلافاصله بدان معنی است که اطلاعات از یک الکترون به الکترون دیگر با سرعتی برابر بی نهایت انتقال خواهد یافت. اینجاست که انیشتین و دو همکارش به مخالفت برمی خیزند چرا که چون طبق تئوری نسبیت هیچ چیز نمی تواند سریع تر از نور حرکت کند، بنابراین هر اتفاقی بر سر یک الکترون بیاید باید چندین سال طول بکشد تا به الکترون دیگر برسد. ناسازگاری دو تئوری نسبیت و کوانتوم و اختلاف مهم آنها در همین چندین سال است.
معمای فوق بحث بین بوهر و انیشتین را شدت بخشید. بوهر در پاسخ به آن اظهار داشت که انیشتین و همفکرانش دو فوتون فوق را به دلیل فاصله زیادی که در بین آنهاست، مستقل از هم در نظر می گیرند، حال آنکه مجموعه این دو فوتون "تشکیل یک سیستم واحد" را می دهند و تا وقتی که ما دخالت نکرده ایم (مثلاً اسپین یکی از آنها را اندازه نگرفته ایم) این مجموعه به همان حالت باقی خواهد ماند. به عبارت دیگر، انیشتین در بررسی این دو الکترون، دیدگاه اجزانگری را به کار می گیرد. در صورتی که بوهر به این قضیه و تمام پدیده های جهان با دیدگاه کل نگری می نگرد. از نظر بوهر ما مجاز نیستیم که جهان را مجموعه اجزاء مستقل از هم در نظر بگیریم بلکه جهان باید یک "مجموعه واحد" در نظر گرفته شود که تمام اجزاء آن به همدیگر وابسته اند. این بحث ادامه داشت تا آنکه طی چندین آزمایش دقیق درستی نظرات بوهر تایید شد و بدین ترتیب پایه های تئوری کوانتوم محکم تر گشت.
مطالعه و بررسی اجزاء کوچک ماده به منظور درک ساختار جهان، ناشی از اعتقاد به فلسفه اجزانگری دیدگاه مکانیکی است. در اینکه این برخورد اطلاعات گرانقیمتی را به ما هدیه کرده است و می کند جای شک نیست ولی باید تاکید کرد که این اطلاعات نمی توانند تمام واقعیت را بیان کنند و گاه حتی منجر به برداشتی نادرست و گمراه کننده از واقعیت می شوند. مگر می شود با شناختن اجزاء یک سلول (که در نهایت اتم ها هستند)، سلول را توصیف کرد؟ مگر می شود با درک نقطه های یک عکس موضوع یک تصویر را بیان نمود؟ مگر می شود با دانستن حروف یک کتاب موضوع کتاب را حدس زد؟ زندگی یا موضوع عکس و کتاب چیزی است ماورای اجزاء تشکیل دهنده آنها و به دنیایی ماورای دنیای آن اجزاء تعلق دارد. این مفاهیم تنها با برخورد کل نگری قابل توجیه و توصیف هستند، یعنی همان برخوردی که یکی از پایه های فلسفی تئوری کوانتوم را تشکیل می دهد.
شایان ذکر است که وقتی یک فیزیکدان کوانتوم می گوید "پروتون از سه کوارک ساخته شده است،" منظوری متفاوت از مثلا یک زیست شناس دارد که می گوید "موجودات زنده از سلول ساخته شده اند". یک زیست شناس اعتقاد دارد که می تواند با جدا کردن سلولی از کبد و مطالعه آن در زیر میکروسکوپ به عملکرد کبد پی ببرد. یک فیزیکدان چنان برداشتی از دنیای کوانتوم ندارد چرا که می داند قرار گرفتن سه کوارک در کنار همدیگر همیشه منجر به تولید یک پروتون نمی شود، همانطور که در کنار هم قرار گرفتن حروف همیشه منجر به ایجاد یک کلمه معنی دار نمی گردد.
از موارد دیگری که تئوری کوانتوم ابراز می دارد ولی درک آن چندان راحت نیست، موضوع دوگانگی ذره- موج اجزاء کوانتومی (مانند الکترون، پروتون، فوتون و غیره) است. اینکه یک فوتون هم ذره باشد و هم موج به نظر عجیب می رسد چرا که ذره به موجودی اطلاق می شود که در نقطه ای از فضا متمرکز باشد و حال آنکه موج درگستره ای از فضا پخش است. چطور می شود که یک الکترون هم در فضا متمرکز باشد و هم پخش؟ به اعتقاد فیزیک کوانتوم، اینکه یک فوتون کدامیک از دو خصیصه فوق را از خود بروز می دهد بستگی به ما (ناظر) دارد. ما هرکدام را بخواهیم همان را نشان خواهد داد. به زبان دیگر، اجزاء کوانتومی با ساز ما (ناظر) می رقصند.
آزمایش مشهوری در فیزیک است که به آزمایش "شیار نور" معروف است که به طور خلاصه چنین است. در محل تاریکی، دو پرده موازی را در برابر یک منبع نور (یا منبع الکترون) قرار می دهیم. ابتدا یک شیار باریکی را در پرده اول که نزدیک منبع هست ایجاد می کنیم و عبور نور (یا الکترون) را از آن مورد مشاهده قرار می دهیم. یک نوار روشن را بر روی پرده دوم ملاحظه خواهیم کرد. لیکن، اگر شیار خیلی باریک باشد، هیچ چیز بر روی پرده دوم مشاهده نخواهد شد که این برخلاف انتظار است چرا که این بار انتظار می رود نوار نورانی بسیار باریکی را ببینیم. البته این یک انتظار بی موردی هم نیست چرا که اگر فرض کنیم که نور از ذرات فوتون تشکیل شده باشد هرقدر هم که شیار باریک باشد باید تعدادی فوتون از شیار عبور کنند و یک نوار روشن هرچند بسیار باریک را بر روی پرده دوم ایجاد کنند. اوضاع مبهم تر می شود اگر بر روی پرده اول به جای یک شیار دو شیار خیلی باریک داشته باشیم. آنچه در این حالت مشاهده خواهیم کرد نه هیچ و نه دو نوار نورانی خواهد بود بلکه تعداد بسیار زیادی نوارهای روشن و تاریک را بر روی پرده خواهیم دید. اینکه چطور ذرات فوتون چنین تصویری می آفرینند قابل توجیه نیست. این پدیده تنها وقتی قابل توضیح خواهد بود که فوتون (یا الکترون) را موج فرض کنیم چرا که تجربه نشان می دهد که دو موج می توانند با هم تداخل داشته باشند و در بعضی جاها همدیگر را تقویت و در جاهای دیگر تضعیف نمایند. بر روی پرده، جاهایی که دو موج نور همدیگر را تقویت می کنند به صورت نوار روشن و جاهایی که همدیگر را تضعیف می کنند به صورت نوارهای تاریک دیده می شوند. اینکه در حالت یک شیار بسیار باریک هم هیچ چیز بر روی پرده مشاهده نمی شود بدان دلیل است که دیواره های شیار موجب پراکندگی موج می شوند و لذا هیچ نوار روشن یک پارچه ای بر روی پرده دوم شکل نمی گیرد.
این آزمایش دو مطلب را نشان می دهد. اول آنکه یک فوتون یا الکترون هم ذره است و هم موج. اگر درک این مطلب مشکل است آن را می توان به شکلی دیگر بیان کرد و گفت که یک فوتون یا الکترون می تواند هم رفتاری ذره گونه و هم رفتاری موج گونه داشته باشد. مطلب دیگر آنکه هرکدام از این دو خصیصه را بر طبق میل ما (ناظر) از خودش بروز می دهد. اگر ناظر بخواهد موج باشد چنان خواهد کرد و اگر بخواهد ذره باشد باز هم چنان خواهد کرد. به طور خلاصه، فوتون یا الکترون با ساز ما خواهد رقصید. البته تنها دو نوع رقص بلد است که برای هرکدام نیز ساز مخصوصش را می طلبد. ناظر نمی تواند یک شیار قرار دهد و از الکترون بخواهد رفتار موج گونه اش را نشان دهد.
طبق تئوری کوانتوم، تمام موجودات کوانتومی (شامل پروتون، کوارک، نوترون و...) و حتی خود اتم دارای دو خصیصه ذره ای و موجی هستند و هر خصیصه ای مکمل خصیصه دیگر است. این مطلب یکی از اصول مشهور تئوری کوانتوم را تشکیل می دهد و به "اصل مکمل" بوهر معروف است و از فلسفه یین- ینگ چین اقتباس شده است. در این فلسفه، هر خصیصه ای اطلاعاتی را در خود دارد که خصیصه مکملش فاقد آنست. طبق این اصل، موجودیت فوتون یا هر موجود کوانتومی دیگر وقتی معنا پیدا می کند که هر دو خصیصه را با هم در نظر بگیریم. موقعی که تنها بر روی یک خصیصه تمرکز می کنیم از وحدانیت به دور می افتیم چرا که از نیمه دیگر اطلاعات که ذاتاً در خصیصه مکمل آن وجود دارد چشم پوشی می کنیم.
این درست مثل فرآیند تنفس است که وقتی معنی می یابد که هم دم و هم بازدم را در نظر بگیریم. تنفس فقط دم یا فقط بازدم نیست. هرکدام از اینها حاوی نیمی از اطلاعات در مورد واقعیتی به نام تنفس هستند و یکی دیگری را تکمیل می کند. هر واقعیت جهان ملموس ما شامل دو قطب به ظاهر متضاد یین و ینگ است ولی نه یین تنها و نه ینگ تنها می تواند یک واقعیت را تعریف کند بلکه یین و ینگ هر دو با هم به واقعیت ها موجودیت می بخشند. واقعیتی مانند تنفس نه دم تنهاست و نه بازدم تنها، بلکه هم دم است و هم بازدم. به همین منوال، شب بدون روز بی معنی است و حیات وقتی معنا می یابد که هم شب و هم روز هر دو باشند. نور نیز بدون ظلمت معنا ندارد. خوبی و بدی، سخت افزار و نرم افزار کامپیوتر، موضوع یک عکس و مجموعه نقطه های تشکیل دهنده آن، زمینه نقاشی و موضوع اصلی، مفهوم یک کلمه و حروف تشکیل دهنده آن، جسم و ذهن، و غیره همگی شواهدی بر صحت اصل مکمل هستند. با این برداشت، خصیصه ذره ای فوتون مترادف است با حروف یا سخت افزار و خصیصه موجی آن مترادف است با مفهوم یا نرم افزار.
همانطوری که در آزمایش دو- شیار نور ملاحظه گردید، اگر به دنبال اندازه گیری یک فرآیند کوانتومی باشیم ناگزیریم که از ابزار و وسایلی استفاده نماییم که خود این ابزار از اتم ها تشکیل شده اند ولی هریک از آنها اندازه ای بسیار بزرگتر از اتم دارد. این نشان می دهد که برای درک واقعیت دنیای کوانتوم (مثلا اندازه یک پروتون) نیاز به واقعیت های دنیای بزرگتر (مثلا لوازم اندازه گیری) داریم. یادآوری می شود که واقعیت های کوانتومی محاسبه ناپذیر و غیرقابل پیش بینی هستند حال آنکه واقعیت های دنیای بزرگ محاسبه پذیر و قابل پیش بینی اند. در مطالعه و بررسی واقعیت های کوانتومی دیدگاه کل نگری رل غالب را دارد حال آنکه واقعیت های دنیای بزرگ را می توان با دیدگاه اجزانگری بررسی نمود. واقعیت های کوانتومی پیرو نظم خاصی هستند که متفاوت از نظم علت و معلولی حاکم بر واقعیت های دنیای بزرگ است. این موارد همگی حکایت از آن دارند که ظاهراً این دو واقعیت چندان با هم سازگار نیستند و بلکه در دو قطب متضاد قرار دارند. موجودیت و تضاد این دو واقعیت ما را تشویق می کند که در این مورد نیز اصل مکمل بوهر را به کار بگیریم، بدان معنی که واقعیت های کوانتومی و واقعیت های دنیای بزرگ را مکمل هم بدانیم چرا که هیچکدام از این دو واقعیت بدون دیگری معنی ندارد و هرکدام تنها نیمی از اطلاعات را دربرمی گیرد.
این همان دیدگاه کل نگری است که جهان و پدیده هایش را یک کل تقسیم ناپذیر می داند، جهانی که در آن مشاهده کننده جدای از آنچه مورد مشاهده قرار می دهد نیست. یک وسیله اندازه گیری نیز جدای از آنچه که اندازه گرفته می شود نیست. به طور کلی، ناظر جدای از پدیده ها یا رویدادها نیست بلکه خود قسمتی از همان پدیده هاست. اگر در تئوری نیوتون و فیزیک قدیم (کلاسیک) جهان به ساعتی تشبیه می شود که کارش مستقل از حضور ناظر است، در تئوری کوانتوم و فیزیک جدید ناظر قسمتی از جهان و فرآیندهای آن را تشکیل می دهد. واقعیت های کوانتومی را من و شما (یعنی واقعیت های دنیای بزرگ) تعیین می کنیم و خود ما نیز مجموعة واقعیت های کوانتومی هستیم! مشابه بحث مرغ و تخم مرغ و اینکه کدامیک قبل از دیگری وجود داشته است، پرسشی که اینجا مطرح می شود این است که کدام واقعیت قبل از دیگری به وقوع پیوسته است یا کدامیک علت و کدام معلول است؟ واقعیت دنیای کوانتومی یا واقعیت دنیای بزرگ؟ چگونه دنیای بزرگ (آنچه که در زندگی روزمره با آن سروکار داریم) واقعیت دنیایی را تعیین می کند که خود از آن ساخته شده است؟ توجه کنید که این سئوال ما را وارد بحث علت و معلول می کند. بنابراین، زمانی این بحث معنی دار خواهد بود که نظم علت و معلولی را قابل اعمال به تمام واقعیت ها بدانیم که درست نیست چرا که چنان نظمی در مورد پدیده های کوانتومی صدق نمی کند. همانطور که بررسی یین مستقل از ینگ تصویر ناقصی از واقعیت به دست می دهد، در جدا کردن دنیای کوانتوم از دنیای بزرگ نیز مرتکب خطای زیادی خواهیم شد. به قول هرمان هسه : "واقعیت شامل مجموعه حقایق و ضد حقایق است. در مقابل هر حقیقتی یک ضد حقیقت وجود دارد که آن نیز به نوبه خود یک حقیقت است. وقتی تنها حقیقت یا ضد حقیقت را در نظر می گیریم فقط نیمی از واقعیت دربرگرفته می شود که از کمال و وحدانیت بی بهره است."
شاید مهمترین پرسش این باشد که چگونه فرآیند مشاهده توسط یک ناظر مجموعه ای از واقعیت های محتمل کوانتومی را به یک واقعیت ملموس فیزیکی تبدیل می کند؟ چه چیزی در فرآیند اندازه گیری یا مشاهده هست که موجب می شود واقعیت ملموسی شکل گیرد؟ این پرسش چندین دهه است که فیزیکدانها و فیلسوف ها را به خود مشغول کرده است. شرودینگر که یکی دیگر از بنیانگذاران تئوری کوانتوم است با مطرح کردن مثال خاصی که به مثال "گربه شرودینگر" مشهور شده است، موضوع مشاهده و اندازه گیری را مورد توجه قرار داده است. این مثال را به صورت ساده چنین می توان بیان کرد. مقداری سم در داخل جعبه کوچکی که درب آن کاملا بسته است قرار دارد. سویچی قفل این درب را کنترل می کند و خود این سویچ وقتی عمل می کند که یک ماده رادیو اکتیو تجزیه شود. حال این جعبه را به همراه گربة فرضی و ماده رادیو اکتیو در داخل اتاقکی که هیچ پنجره ای ندارد قرار می دهیم. تا وقتی درب اتاقک بسته باشد، نخواهیم دانست که گربه زنده است یا مرده. چون احتمال تجزیه ماده رادیو اکتیو پنجاه درصد است، بنابراین پنجاه درصد احتمال دارد که سویچ عمل کرده باشد، سم آزاد شده و گربه مرده باشد. به عبارت دیگر، به احتمال پنجاه درصد ممکن است گربه مرده باشد و باز به احتمال پنجاه درصد ممکن است که گربه زنده مانده باشد. ما (یا ناظر) فقط وقتی از سرنوشت گربه خبردار خواهیم شد که درب اتاقک را باز کنیم. از نظر ناظر، مادامی که فرآیند مشاهده انجام نگرفته است، گربه در یک حالت شبح گونة زنده- مرده قرار دارد. تا آنجائی که به تئوری کوانتوم مربوط می شود، این عمل "مشاهده" است که تکلیف گربه را تعیین می کند و وی را از حالت شبح گونه زنده – مرده به یک موجود زنده یا مرده تبدیل می نماید . به نظر مسخره می آید که موجودی در یک حالت شبح گونة زنده- مرده قرار داشته باشد. راستی، اگر یک انسان را به جای گربه در محفظه فوق قرار دهیم چه احساسی خواهد داشت. من که الان دارم این کتاب را می نویسم و یا شما که دارید می خوانید احساس زنده بودن داریم. احساس شخص درون محفظه، قبل از آنکه مورد مشاهده قرار گیرد چگونه خواهد بود؟
برخی از فیزیکدانها که در راس آنها ویگنر قرار دارد اعتقاد دارند که آنچه موجب واقعیت یافتن یکی از دو حالت در پی فرآیند مشاهده می شود، ذهن انسان است، هرچند که هنوز تعریف درستی از ذهن ارائه نشده است. از دیدگاه این عده، این ذهن انسان است که موجب می شود تا حالت شبح گونة زنده- مرده تبدیل به یک واقعیت ملموس فیزیکی مانند زنده یا مرده گردد. به همین ترتیب، این ذهن انسان است که حالت شبح گونه ذره- موج یک الکترون را به یکی از دو حالت واقعی ذره یا موج تبدیل می کند.
علم امروز وجود ذهن را در عین اینکه آن را یک "چیز" به حساب نمی آورد، قبول دارد. رابطه بین ذهن و بدن را مشابه رابطه بین نرم افزار و سخت افزار یک کامپیوتر تعبیر می کند. در مقایسه با دنیای جسم که شامل "چیزهایی" می شود که فضا را اشغال می کنند و حجم، جرم و بار الکتریکی دارند، دنیای ذهن تنها شامل فکر می گردد که نه فضا را اشغال می کند و نه حجم و جرم دارد. البته، مانند ماده که تغییر می یابد و با مواد دیگر همکنش دارد، فکر نیز می تواند تغییر یابد و یا با افکار دیگر همکنش داشته باشد. لیکن دنیای جسم ملموس و قابل مشاهده است و حال آنکه دنیای ذهن غیرقابل مشاهده است. اینکه دو دنیای ذهن و ماده را جدای از هم فرض می کنیم و هریک را جداگانه مورد مطالعه قرار می دهیم، ناشی از دیدگاه اجزانگری است. واقعیت این است که این دو دنیای به ظاهر مجزا و متفاوت دو روی یک سکه را تشکیل می دهند، چرا که یک همکنش مداوم بین آنها در جریان است.
تا امروز فیزیک بیشتر بر روی ماده و جسم تمرکز داشته است و بررسی ذهن به روانشناسی حواله گردیده است. همانطور که اشاره شد در فیزیک نیوتونی ناظر و ذهن وی هیچ رلی ندارند و اعتقاد بر آنست که اتفاقات جهان چه با ناظر و چه بدون وی همان خواهند بود. لیکن، تئوری کوانتوم ناظر و ذهن وی را وارد فیزیک می کند و در برخوردی که با پدیده ها دارد ناظر را قسمتی از پدیده به حساب می آورد. یادآوری می شود که در تئوری نسبیت نیز ناظر رل اساسی دارد ولی بعد از تئوری کوانتوم است که مقوله شعور (که ذهن به آن ارتباط داده می شود) وارد فیزیک جدید می شود.
موضوع دیگری که در اینجا قابل طرح است این است که وقتی در پی فرآیند مشاهده یکی از دو حالت زنده و مرده واقعیت فیزیکی می پذیرد چه بر سر حالت دیگر می آید؟ فرض کنید که در همان مثال گربه شرودینگر، ناظری دریچه را باز می کند و گربه را مرده می یابد. البته پنجاه درصد هم احتمال دارد که گربه را زنده بیابد. یادمان باشد که تا قبل از باز کردن دریچه، احتمال وقوع هر دو حالت به یک اندازه بود. ولی می دانیم که در پی مشاهده تنها یکی از این دو حالت به وقوع خواهد پیوست: زنده یا مرده. پس چه بر سر حالت دیگر می آید؟ متاسفانه پاسخ به این سئوال چندان ساده نیست. یک پاسخ ممکن اینست که در پی فرآیند مشاهده هر دو حالت واقعاً به وقوع می پیوندند. این پدیده را می توان چنین توضیح داد: درست در لحظه مشاهده، جهان و ناظر به دو جهان و دو ناظر تبدیل می شوند. هرکدام از ناظرها در یک جهان قرار می گیرد و دو جهان فوق مستقل از هم ولی به موازات هم ادامه می دهند. در یکی از این جهان ها یک ناظر خوشحال و یک گربه زنده وجود دارند و در جهان موازی آن ناظر غمگین و گربه مرده! هر دو جهان به یک اندازه واقعیت دارند و هیچکدام واقعی تر از دیگری نیست. این بدان معنی است که از لحظه مشاهده به آن طرف شمای مشاهده کننده نیز در دو جهان موازی به طور همزمان حضور خواهید داشت. به نظر عجیب می آید، نه؟
فرض کنیم من بعد از مشاهده متوجه شوم که گربه زنده است. با توجه به فرضیه جهان های موازی، در همان لحظه یک من دیگر نیز به وجود می آید که در جهانی موازی با من و گربه زنده زندگی می کند که در آن گربه مرده است. پس چرا من دیگرم را نمی بینم؟ جواب این است که به آن جهان و من دیگرم دسترسی ندارم و همینطور آن جهان به من اینجا. به عبارت دیگر، جهان های موازی مستقل از هم هستند. این قضیه مثل دو شاخه شدن تنه درخت است و اینکه شاخه ها بعد از دو شاخه شدن کاملا مستقل از هم هستند. آیا می توان از جهانی به جهان های موازی اش رفت؟ پاسخ مثبت است البته اگر بشود در زمان به عقب رفت!
اولین بار، نظریه "جهان های موازی" توسط فیزیک دانی به نام ایورت در سال 1957 ارائه شد. برطبق این نظریه تمام احتمالات ممکن واقعاً اتفاق می افتند لیکن هرکدام در یکی از جهان های موازی. اگر نظریه جهان های موازی درست باشد بدان معنی است که در همین لحظه میلیاردها من وجود دارند که به طور موازی با منی که دارم این کتاب را می نویسم زندگی می کنند. البته در بعضی از این جهان ها من مرده ام، در بعضی در حال مردن هستم، در بعضی چند سال دیگر خواهم مرد و.... این جهان ها کجا هستند؟
جواب این است که آنها که خیلی شبیه به جهان ما هستند خیلی نزدیک به ما قرار دارند ولی آنها که خیلی متفاوتند بسیار از جهان ما دورند. بنابراین میلیون ها جهان موازی ما در چند سانتی متری ما وجود دارند و میلیاردها جهان دیگر نیز بسیار دور، درست مشابه شاخه ها یا ریشه یک درخت. بنابراین جهانی وجود دارد که در آن چنگیز وجود نداشته است، جهانی وجود دارد که در آن من و بعضی از شما در ایران زندگی نمی کنیم. جهانی وجود دارد که در آن شما در جنگ ایران- عراق کشته شده اید. تجسم دنیایی که در آن متولد نشده اید یا مرده اید باید بسیار جالب باشد و همینطور جهانی که در آن امیرکبیر به قتل نرسیده است، یا جهان فاقد سلسله های صفوی و قاجار. صرفنظر از وجود من و شما که تنها چند ده سالی است که در جهان هستیم، آن جهان های موازی که در آغاز پیدایش جهان منشعب شده اند و خصوصاً آنها که زیاد باهم متفاوت بوده اند (مثلا آنهایی که در آنها هیدروژن تولید نشد و یا آنهایی که در آنها هیدروژن وجود دارد ولی دو تریوم به وجود نیامد) باید فوق العاده متفاوت از جهان ما باشند که اصلا قابل تصور برای ما نخواهد بود. بعضی از آن جهان ها هرگز نمی توانند شرایط مناسبی برای زندگی داشته باشند و لذا موجودی به نام انسان نمی تواند در آنها حضور داشته باشد. در بعضی دیگر باید موجوداتی باشند لیکن بسیار متفاوت از انسان (مثلا سه چشم).
• تصویر جهان در فیزیک امروز (نسبیت به علاوة کوانتوم)
4- فیزیک کلاسیک یا فیزیک نیوتونی براساس تئوری نیوتون و دیدگاه مکانیکی وی شکل گرفته است. با ورود تئوری های کوانتوم و نسبیت به عرصه فیزیک و آشکار شدن ناتوانی های فیزیک کلاسیک در چند مورد، برداشت ما از جهان و پدیده های آن به کلی متحول شد. این تحول تئوریک و فلسفی موجب گردید که علم فیزیک عنوان "فیزیک جدید" را بیابد. فیزیک کلاسیک حرکت را جابجایی پیوستة ماده تعریف می کرد، به یک جهان محاسبه پذیر اعتقاد داشت، فضا و زمان را کمیت های مطلق و مجزای از هم در نظر می گرفت، به خاطر دیدگاه مکانیکی خود برخوردی اجزانگرانه با جهان و پدیده هایش داشت، جهان را ماشینی ساعت گونه به تصویر می کشید، به نظم علت و معلولی اعتقاد داشت، فضای فاقد ماده را کاملاً خالی می پنداشت و بالاخره اجزاء اتم و فوتون را ذره های مادی صلب فرض می کرد.
در یک جمله، فیزیک جدید دنیایی کاملاً متفاوت از آنچه را که ما به آن عادت داریم معرفی می کند و درستی تمامی ادعاهای فیزیک نیوتونی را به زیر سئوال می برد. در رابطه با نظم جهان نیز دیدگاهی کاملاً متفاوت از دیدگاه مکانیکی نیوتون دارد. با تئوری کوانتوم، تفکر تشکیل جهان از ذرات مادی صلب منسوخ می شود و نشان داده می شود که برخورد دو ذره (مثلا دو اتم) هرگز مانند برخورد دو توپ یا دو گلوله جامد نیست. توضیح اینکه، شبیه فضای خالی منظومه شمسی، اکثر حجم اتم را نیز فضای خالی تشکیل می دهد.
بنابراین، برخلاف تصور ما، در فرآیند برخورد اتم ها، آخرین لایه الکترونی یک اتم با آخرین لایه اتم دیگر تماس نمی یابد و مثلا الکترون های دو اتم با هم تصادم نمی کنند، بلکه فاصله بسیار زیادی بین این دو لایه الکترونی خواهد بود. در حقیقت این فاصله در حدود ابعاد اتم است. انگار دو منظومه شمسی از فاصله چند میلیون کیلومتری هم عبور کنند. بارمنفی الکترون های دو اتم موجب می شود که اتم ها همدیگر را از فاصله ای کیهانی (نسبت به اندازه اتم و الکترون ها) دور کنند و با فاصله بسیار زیادی از کنار هم عبور نمایند. لذا هرگز تماسی از آن نوع که ما به آن عادت داریم وجود ندارد. الان که این کتاب را در دست دارید فاصله بین مولکول های کاغذ و مولکول های انگشتتان در همین مقیاس کیهانی است. اینکه ما کاغذ را زبر یا نرم احساس می کنیم ناشی از تماس مولکول های کاغذ و دست نیست چرا که اصلا تماسی در کار نیست. البته، تردیدی نیست که احساس نرمی (یا زبری) ناشی از تاثیر غیرقابل انکار مولکول های کاغذ و دست بر روی همدیگر است ولی این "تاثیر" ناشی از تصادم مولکول های دست و کاغذ نیست.
از دیدگاه فیزیک جدید، هر ذره (مثلا اتم) دارای میدان خاصی در اطراف خود است و توسط همین میدان خاص است که یک ذره بر ذره دیگر اثر می گذارد. در مقایسه با اندازه یک ذره، اندازه یک میدان میلیاردها بار بزرگتر است. برای سادگی درک مطلب می توان این میدان را مشابه هاله ای تجسم نمود که ذره را احاطه کرده است. طبعاً جسمی که از مجموعه ذرات تشکیل شده است میدانی به مراتب بزرگتر و قوی تر خواهد داشت. بنابراین، کره زمین نیز به نوبه خود دارای میدان خاص خودش است. به عنوان مثال، سقوط اجسام بر روی زمین تحت "تأثیر" یکی از همین میدان هایی است که کره زمین را احاطه می کند و به میدان جاذبه مشهور است. میدان دیگری که کره زمین را در بر می گیرد میدان مغناطیسی زمین است که از دوران دبستان با آن آشنایید.
راستی، این میدان ها که غیرقابل رؤیتند چیستند، چه خصوصیاتی دارند و چگونه و با چه مکانیزمی بر روی هم اثر می گذارند؟ قبل از اینکه به ساختار میدان بپردازیم لازم است که با یک خصیصه مهم و اساسی که در مورد هر میدانی صدق می کند آشنا شویم. هر میدانی شبکه ای از ارتباطات را شامل می گردد و در حقیقت یک پیام رسان است. توسط شبکه ارتباطی و لذا پیام رسانی همین میدان هاست که ذرات به خصوصیات هم پی می برند و مثلا همدیگر را جذب یا دفع می کنند. این موضوع در مورد اجسام بزرگ مثل انسان نیز صدق می کند. تمام درک ما از اطراف مان به کمک پیام هایی است که حواس پنجگانه (بینایی، شنوایی، لامسه، چشایی و بویایی) دریافت می دارند. کیفیت این پیام هاست که به ما امکان تشخیص اجسام و خصوصیات آنها را می دهد و بر همان اساس می توانیم واقعیات را برای خود تعریف و تعیین نماییم. بدون این پیام ها ارتباط ما با جهان اطراف قطع می شود و هیچ تفاوتی با یک مرده نخواهیم داشت. آشکار است که باید این پیام ها از جایی ارسال شوند که همینطور هم هست. تمام اجسام از خود پیام هایی خاص ارسال می دارند و بدین ترتیب وجود خود را اعلام می دارند. مثلا، نمک طعام هیچ پیام بویایی قابل تشخیص توسط انسان معمولی را ارسال نمی دارد و لذا نمی توان از طریق حس بویایی به وجود نمک پی برد. لیکن همین نمک طعام پیام های بینایی و چشایی ارسال می کند و به ما اجازه می دهد تا آن را توسط چشم ها و زبانمان درک کنیم. در فیزیک کوانتوم، همین شبکه ارتباطی (یا میدان ها) هستند که موجودیت، روابط و رفتار دنیای کوانتوم و پدیده های کوانتومی را شکل می دهند. از نظر فیزیک جدید روابط بین ذرات و در نهایت میدان ها اهمیت بیشتری دارند تا خود ذرات. به عبارت ساده تر آنچه اهمیت دارد رقص است نه رقاص، آهنگ است نه ساز، مفهوم است نه حروف.
در اواخر قرن نوزده علاقمندی به جاذبه و الکترومغناطیس زیاد شد و موضوع چگونگی عمل این نیروها مطرح گردید. ماکسول نشان داد که نور، امواج الکترومغناطیسی است ولی به این پرسش که چگونه امواج الکترومغناطیسی خورشید به زمین می رسند جواب قانع کننده ای ارائه نشد. گفتنی است که در برداشت عامیانه (و تئوری نیوتون)، فضای بین سیارات خالی فرض می شود و جهان مجموعه ای از اجسام مادی یا "چیزها" که در فضای خالی یا "هیچ" شناورند تصور می گردد. لیکن، بسیاری از متفکرین از عبارت "فضای خالی" چندان خوششان نمی آید. از همان اوایل قرن بیستم عده ای ترجیح می دادند که فضای میان اجسام را مملو از ماده ای ناشناخته تصور نمایند. دلیل اعتقاد به وجود این ماده مرموز آن بود که مشابه امواج آب و صوتی که احتیاج به ماده ای مانند آب و هوا دارند تا انتقال یابند، امواج نور نیز نیاز به محیطی دارند تا منتشر گردند. ابراز می شد که مگر می شود نور خورشید بدون هیچ محیط واسطی به زمین برسد؟
سرانجام، برای بیرون آمدن از این تنگنا، فضا مملو از ماده ویژه ای به نام اتر فرض شد که انتقال دهنده یا واسط امواج الکترومغناطیسی (و جاذبه) بود. هرچند فرضیه وجود اتر به رفع تنگنای فیزیک کمک کرد لیکن علیرغم آزمایشات زیاد، هنوز مدرک قانع کننده ای دال بر وجود اتر (یا رد قاطع آن) به دست نیامده است. مشکل این است که حتی اگر وجود اتر را باور داشته باشیم باید آنرا ماده ای با خصوصیات عجیب و غریب که چندان با مذاق فیزیکدان ها سازگار نیست فرض کنیم. این خصوصیات عبارتند از شفافیت فوق العاده زیاد و انعطاف پذیری و کش سانی (حالت ارتجاعی) فوق العاده بالا که آنرا قادر سازد تا ارتعاشات فوق العاده ریز امواج نور را انتقال دهد. جالب است که علیرغم ناتوانی ما در اثبات وجود اتر، هنوز فیزیکدان ها دلزده نشده اند، هرچند که ناشناخته و مرموز ماندن این ماده چندان خوشایندشان نیست.
انیشتین هم در سخنرانی خود که با عنوان "اتر و تئوری نسبیت" در سال 1920 ایراد کرد اقرار نمود که وجود اتر را رد نمی کند. وی اظهار داشت : "تئوری نسبیت خاص، وجود اتر را نفی نمی کند و قبول این فرض که اتر به نوعی وجود دارد بدون مانع است، فقط نباید هیچ نوع حرکتی را به آن نسبت داد." به گفته انیشتین، تا روزی که شناخت کاملی از جنس و کیفیت فضا به دست نیاورده ایم، خواص شناخته شدة آن (مانند انبساط، انحناء و پیوستگی) به ما اجازه نخواهند داد که به این سادگی ها وجود اتر را انکار نماییم. البته، تئوری نسبیت عام، خود فضا را همان اتر تصور می کند که انحنای آن نیروی جاذبه را تولید می نماید. همانطور که دیدیم، تئوری فوق اعلام می دارد که ماده (یا انرژی) شکل (یا هندسة) فضا را تغییر می دهد و همین تغییر هندسة فضا بر روی حرکت ماده (یا جابجایی انرژی) اثر می گذارد. با این برداشت، می توان فضا را همان محیط انتقال جاذبه یا نوعی اتر دانست.
بعدها، ورود نظریه میدان ها این مشکل را به گونه ای حل کرد. برخلاف "فضای خالی" تئوری نیوتون که ذرات مادی صلب در آن شناورند و بر روی هم اثر می گذارند، در نظریه میدان ها اصطلاح "فضای خالی" بی معنی است. هر نقطه ای از فضا متاثر از میدان های اجسام دور یا نزدیکش است. ذرات مادی به عنوان مراکز انتشار پیام در نظر گرفته می شوند که پیام های خود را با سرعت نور منتشر می کنند و حضور و موجودیت ذرات را به همه جا اعلام می کنند. با این برداشت، فضا هیچ وقت خالی نیست و حتی در غیبت ماده نیز حاوی یک یا چند میدان (یا شبکه ارتباطی) است.
در نظریه میدان ها، هر جسم مادی (مثلا کره زمین یا یک لیوان) دارای یک میدان جاذبه است. هواپیمایی هم که در ارتفاع خاصی پرواز می کند میدان جاذبه خود را دارد که بر روی میدان جاذبه کره زمین تاثیر می گذارد و خود نیز از آن متاثر می شود. نتیجة این تاثیر متقابل عبارتست از کشیده شدن هواپیما به طرف زمین که هواپیما از موتورهایش برای خنثی کردن این کشش استفاده می کند. البته، زمین هم به طرف هواپیما کشیده می شود ولی شدت میدان جاذبه زمین فوق العاده بیشتر از شدت میدان جاذبه هواپیماست (چون جرم زمین فوق العاده بیشتر از جرم هواپیماست و لذا انحنای فضای بسیار بیشتری را موجب می گردد) و به همین دلیل نیروی کشش زمین بسیار بزرگتر است.
در فیزیک جدید، میدان جاذبه هر جسمی از ذراتی به نام گراویتون تشکیل می شود که به طور دائم و در تمام جهات از جسم منتشر می شوند و با سرعت نور انتشار می یابند. ممکن است سئوال شود که آیا انتشار دائمی گراویتون ها از جرم اجسام نمی کاهد؟ توجه داشته باشید که هر جسمی در این جهان در اقیانوس عظیمی از گراویتون ها قرار دارد که از اجسام موجود جهان انتشار می یابند و اگر جسم مورد نظر ما گراویتونی از دست می دهد گراویتون دیگری را جذب می کند. شدت میدان جاذبه به تعداد این گراویتون ها بستگی دارد و هرچه جرم یک جسم بیشتر باشد تعداد گراویتون های ارسالی آن بیشتر می شود. هرقدر هم که تعداد گراویتون های ارسالی یک جسم بیشتر گردد نیروی جاذبه بزرگتری را می تواند اعمال کند.
این را نیز باید گفت که میدان جاذبه تنها یکی از میدان های شناخته شده را شامل می شود و میدان های دیگری نیز وجود دارند و از آن جمله میدان الکترومغناطیسی که ذرات تشکیل دهندة آن فوتون نامیده می شوند که بسته به طول موج فوتون ها ممکن است بتوان آنها را به شکل نور مرئی دید. به عنوان مثال، یک الکترون علاوه بر میدان جاذبه دارای میدان الکترومغناطیسی نیز هست. جالب است که میدان های مختلف به طور مستقل عمل می کنند و با وجود اشغال فضایی مشترک، مزاحمتی برای همدیگر تولید نمی کنند.
با تعبیر هر میدانی به عنوان یک شبکه ارتباطی، تفاوت میدان ها تنها در نوع و کیفیت رابطه آنها خواهد بود. مثلا میدان جاذبه یک شبکه ارتباطی در مورد جرم اجسام است و هر جسمی به کمک گراویتون هایی که منتشر می کند پیام خود را در ارتباط با جرمش به اجسام دیگر ابلاغ می نماید. این مشابه رابطه خاص بین من و شماست که از حروف زبان فارسی برای برقراری این ارتباط استفاده می کنیم. تا امروز چهار نوع شبکه ارتباطی (یا میدان) برای اجسام موجود در جهان شناخته شده است که نوع ارتباط آنها را می توانیم به چهار زبان تشبیه کنیم. همانگونه که یک فرد می تواند به یک یا چند زبان مسلط باشد، یک جسم می تواند یک تا چهار میدان داشته باشد. حال اگر فردی دو زبان "آ" و "ب" و فرد دیگری زبان های "ب" و "ج" را تکلم کنند، این دو نفر تنها با زبان "ب" ارتباط برقرار خواهند کرد و نخواهند توانست با زبان های "آ" و "ج" بر روی همدیگر اثر بگذارند. به عنوان مثالی دیگر، ایران از قومیت های متفاوتی تشکیل می شود و اقوام گوناگون زبان های خاص خود را دارند ولی علاوه بر زبان محلی خود زبان فارسی را نیز به عنوان زبان ملی می دانند. بعضی نیز در اثر همجواری با یک قوم دیگر می توانند علاوه بر زبان قوم خود زبان قوم همجوارشان را هم صحبت کنند. پس، بعضی از ایرانی ها تنها یک زبان می دانند (مثلا شیرازی ها تنها فارسی بلدند)، بعضی ها با دو زبان آشنایی دارند (مثل کردها که کردی و فارسی بلدند) و بعضی (مانند کردها وآذری های همجوار) به سه زبان مسلط هستند (زبان آذری، کردی و فارسی). بنابراین تمام این افراد می توانند به زبان فارسی با هم ارتباط برقرار کنند چرا که فارسی در بین همه مشترک است. ضمناً کردستانی ها می توانند به زبان کردی نیز با هم رابطه برقرار کنند و بر روی هم اثر بگذارند. از طرف دیگر پاره ای نیز وجود دارند (شیرازی ها) که از نوع ارتباط آذری ها و کردها هیچ اطلاعی ندارند چون اصلاً کردی نمی دانند.
در طبیعت نیز اجسام به زبان میدان ها با هم ارتباط برقرار می کنند و با وارد نمودن نیروی خاص هر میدان، همدیگر را متاثر می سازند. حال، چون تمام اجسام دارای جرم هستند زبان جاذبه (میدان جاذبه) بین تمامی اجسام مشترک است و لذا تمام اجسام به همدیگر نیروی جاذبه وارد می کنند. یک الکترون و یک پروتون علاوه بر زبان جاذبه، زبان دیگری به نام زبان الکترومغناطیسی نیز دارند و به همدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد می کنند. این زبان را ذرات دیگری که بار الکتریکی ندارند درک نمی کنند و لذا نمی توانند به همدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد نمایند. هر فیزیکدان مانند زبان شناسی است که در تلاش است تا رمز زبان میدان ها را کشف و نوع رابطه آنها را درک نماید. این کار به کمک تئوری خاصی انجام می گیرد که کشف آن تئوری نیز به عهده فیزیکدان است. به عنوان مثال، تئوری نسبیت عام به خصوصیات میدان جاذبه می پردازد و ما به کمک آن زبان جاذبه را می فهمیم و اینکه چگونه این میدان فضای به ظاهر خالی اطراف یک جسم را تغییر می دهد.
همانطور که گفتیم، با توجه به اینکه دنیای شگفت انگیز اتم تازه کشف شده است، تا امروز چهار نوع میدان (و نیروهای مربوطه شان) شناخته شده اند که برای توضیح همکنش های شناخته شده اجزای اتم کافی هستند. این نیروها عبارتند از جاذبه ، الکترومغناطیس ، هسته ای قوی و هسته ای ضعیف . در بین این چهار نیرو، ما در زندگی روزمره مان به طور دایم با نیروی جاذبه سروکار داریم چرا که این نیرو در ارتباط با جرم اجسام است و تمام اجسام هم دارای جرم هستند. لذا نیروی جاذبه یک نیروی جهان شمول است و بدان معنی که میدان جاذبه محدوده ای ندارد و از همه چیز عبور می کند و با سرعت نور انتشار می یابد. به عبارت بهتر، میدان جاذبه مانند اقیانوسی است که تمام اجسام جهان در آن شناورند. مکانیزم عمل گراویتون ها که منجر به اعمال نیروی جاذبه می شود اینگونه توضیح داده می شود که گراویتون ها موجب انحنای فضای اطراف جسم می شوند. هرقدر جرم جسم بیشتر باشد تعداد گراویتون ها زیادتر و فضای انحناء یافته وسیع تر و شدت انحناء بیشتر خواهد بود. هرقدر هم که از جسم دورتر می شویم انحنای فضا کمتر می شود.
همانطور که قبلا نیز بحث شد، وقتی دو جسم با جرم های متفاوت از کنار هم عبور می کنند، فضاهای انحناء یافته شان همدیگر را تغییر می دهند و بدینگونه مسیر حرکت همدیگر را نیز متاثر می نمایند. آشکار است که جرم بزرگتر به خاطر انحنای بیشتر فضای اطرافش بیشتر می تواند مسیر جرم کوچکتر را تغییر دهد. به عنوان مثال، میدان های جاذبه زمین و ماه همدیگر را تحت تأثیر قرار می دهند و مسیر همدیگر را تغییر می دهند ولی زمین به علت جرم بیشترش مسیر ماه را به قدری تحت تأثیر قرارمی دهد که ماه در دام زمین می افتد. گردش زمین و دیگر سیارات منظومه شمسی به دور خورشید نیز به دلیل جرم بسیار زیاد خورشید است.
تمام اجسام که در اقیانوس جاذبه جهان شناورند مسیرهای خاصی را تحت تاثیر همدیگر می پیمایند. در فیزیک جدید، مسیر یک جسم در اقیانوس جاذبه را خط ژئودزیک می نامند.
وقتی سفینه ای را به طرف مریخ روانه می کنیم چون انحنای فضا در سطح زمین بیشتر است و با دور شدن از زمین کم کم کاهش می یابد، ابتدا سفینه نیروی خیلی زیادی را لازم خواهد داشت تا از دام کره زمین خارج گردد که برای این کار نیازمند موتوری پرقدرت است. لیکن در خروج از میدان جاذبة زمین دیگر نیازی به روشن بودن موتور نخواهد بود چرا که فضای انحناء یافتة کره زمین را ترک خواهد کرد. از آن به بعد در مسیر ژئودزیک خود به طرف مریخ در حرکت خواهد بود. نظر به اینکه در طی این مسیر تحت تاثیر میدان های جاذبة اجرام آواره و کوچک موجود در فضا خواهد بود و انحرافاتی جزیی از خط ژئودزیک محاسبه شده به وجود خواهد آمد، مجبور خواهیم بود هر از گاهی جهت سفینه را با روشن کردن موتورهای خاصی تصحیح کنیم.
آشکار است که مسیر ژئودزیک هر جسم تابع میدان های جاذبه اجسام اطراف و خود آن جسم است و از آنجایی که میدان جاذبه موجب انحنای فضا می شود لذا در محاسبات میدان های جاذبه (و از جمله خط ژئودزیک) هندسه اقلیدسی به درد نخواهد خورد و مجبوریم از هندسه ریمانی استفاه نماییم که مخصوص فضاهای منحنی است (در مورد هندسه ریمانی قبلا صحبت شد و باز خواهد شد).
نکته مهم اینکه با وجودی که جاذبه ضعیف ترین نیرو در بین چهار نیروی شناخته شده طبیعت است ولی مهمترین آنهاست. هر ذره مادی دارای نیروی جاذبه است ولی مقدار این نیرو به قدری کوچک است که به نظر می رسد وجود یا عدم آن چندان فرقی به حال جهان نداشته باشد. نکته مهم این است که وقتی چند ذره در کنار هم قرار می گیرند میدان جاذبه ای تولید می شود که شدت آن برابر مجموع جاذبه های آن ذرات است. اصطلاحا، می گوییم نیروی جاذبه یک نیروی جمع پذیر است و این بدان معنی است که هرقدر جرم یک جسم بیشتر باشد (مثلا یک سیاره)، نیروی جاذبه اش افزایش می یابد. بنابراین هرچند که نیروی جاذبه برای تک تک ذرات دنیای کوانتوم فوق العاده کوچک است ولی میدان جاذبه جسمی که شامل تعداد بیشماری از ذرات اتمی است مقدار چشمگیری خواهد بود. نتیجه اینکه در ابعاد بزرگ، نیروی جاذبه بسیار بزرگتر و لذا مهمتر از سه نیروی دیگر خواهد بود. بنابراین، با توجه به جرم های بسیار بزرگی که با آنها سروکار داریم، این نیرو برای ما ملموس تر است.
در مقایسه با نیروی جاذبه، نیروی الکترومغناطیسی بسیار بسیار بزرگتر از نیروی جاذبه است. از طرف دیگر، نیروی جاذبه در همه جهان وجود دارد (و لذا حوزه ای به وسعت جهان دارد)، ولی میدان (و نیروی) الکترومغناطیسی محدوده بسیار کوچکی از فضا را (که همان حول و حوش ذرات کوانتومی است) شامل می شود. بنابراین، در مقایسه با نیروی جاذبه که برای ما ملموس است، نیروی الکترومغناطیسی را نمی توان به راحتی احساس کرد چرا که به درون اجسام محدود می شود. همچنین، نیروی الکترومغناطیسی تنها در مورد ذرات باردار صدق می کند و همکنش ذرات باردار الکتریکی با بارهای مثبت و منفی، این نیرو را تولید می کند. به عنوان مثال، پیرو همجواری یک الکترون و یک پروتون این نیرو تولید می شود. مشابه نیروی جاذبه که عامل اثر آن گراویتون است، در این مورد عامل اثر فوتون است. وقتی دو جسم باردار همجوار نسبت به هم ساکن باشند فضای اطراف به گونه ای خاص درمی آید و میدانی تولید می شود که به آن میدان الکتریکی می گوییم. این میدان، نیرویی تولید می کند که دو جسم یا همدیگر را جذب (بارهای مثبت و منفی) و یا دفع می نمایند (بارهای همنام) و مقدار آن براحتی قابل محاسبه است.
اگر دو جسم باردار نسبت به هم حرکت کنند دو حالت ممکن است اتفاق بیافتد. اگر سرعت یک جسم باردار نسبت به جسم باردار دیگر ثابت باشد، میدان تولید شده را میدان مغناطیسی می نامند. مثلا در اطراف سیم برقی که داخل آن الکترون ها (ذرات باردار منفی) در حرکتند یک میدان مغناطیسی به وجود می آید. در صورتی که سرعت جسم باردار نسبت به جسم باردار دیگر متغیر باشد (و لذا حرکتی شتابدار داشته باشد) آنگاه میدان ایجاد شده را میدان الکترومغناطیسی می نامند. در هر حال، عامل انتقال نیرو فوتون است. تئوری لازم جهت مطالعه میدان الکترومغناطیسی به تئوری ماکسول مشهور است. از آنجایی که سرعت ذرات باردار وقتی در محدوده کوچکی مانند حجم اتم قرار می گیرند فوق العاده زیاد است (نزدیک سرعت نور)، دیگر نمی توان از روابط ماکسول برای مطالعه آنها استفاده کرد چرا که لازم خواهد بود تا اثر تئوری های کوانتوم و نسبیت نیز در مورد آنها ملحوظ گردند. مشکل این است که تئوری کوانتوم هنوز به آن حد از رشد خود نرسیده است که بتواند میدان ها را بررسی نماید.
در مقایسه با نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای قوی، بسیار بزرگتر است لیکن حوزه اثر آن فوق العاده کوچکتر است و در حقیقت همانگونه که از اسم این نیرو برمی آید تنها بُردی در محدوده هسته اتم (که بسیار کوچکتر از اندازه خود اتم است) دارد. این نیرو موجب در کنار هم قرار گرفتن پروتون و نوترون در درون هسته است و عامل انتقال نیرو در این مورد پی مزون نامیده می شود. برخلاف محمل نیروی الکترومغناطیسی (یعنی فوتون) که جرم سکونی برابر صفر دارد، پی مزون جرمی در حدود 300 برابر الکترون دارد و به خاطر همین جرم زیادش هست که بُردی بسیار کوتاه دارد. نکته دیگر در مورد پی مزون این است که می تواند بار الکتریکی مثبت، منفی و یا خنثی داشته باشد. امروزه، علیرغم اینکه از وجود این نیرو آگاه هستیم ولی اطلاعات ما در مورد ماهیت میدان آن بسیار کم است و برخلاف دو نیروی قبلی که برای توصیف آنها تئوری هایی وجود دارند (نسبیت عام و ماکسول)، هنوز هیچ تئوری همه پسندی برای نیروی هسته ای قوی ارائه نشده است.
نیروی شناخته شده دیگر به "نیروی هسته ای ضعیف" معروف است که در تجزیه مواد رادیواکتیو خود را نشان می دهد. عامل انتقال این نیرو نوترینو نامیده می شود که مشاهده آن در آزمایشگاه تقریباً ناممکن است چرا که از تمامی اجسام عبور می کند. مثلا، می تواند بدون گذاشتن هیچ ردپایی از این طرف کره زمین وارد و از طرف دیگر خارج گردد. همانگونه که از اسم این نیرو برمی آید بسیار ضعیف است و حدود 14-10 مرتبه کوچکتر از نیروی هسته ای قوی است. اطلاعات ما در مورد این نیرو نیز بسیار اندک است و هنوز راهی طولانی در پیش داریم تا این نیرو را درک نماییم.
اگر روزی برسد که رمز تمام زبان های ذرات را بیابیم بزرگترین گام را در تکامل فیزیک برداشته ایم. در حال حاضر زبان های جاذبه و الکترومغناطیسی را به کمک تئوری های نسبیت و ماکسول می دانیم ولی تئوری های موجود هنوز نیازمند تکمیل بیشتری هستند تا بتوانند دو زبان دیگر را نیز در بر بگیرند. مهمترین آرزوی فیزیکدان ها یافتن زبان واحدی است که بتواند تمام میدان ها را توصیف کند. این آرزو از زمان انیشتین مطرح بوده است و هنوز هم تلاش مداومی در جریان است که تئوری میدان واحدی کشف گردد که به تنهایی بتواند تمام میدان ها و نیروهای مربوطه را توصیف نماید. انیشتین درصدد برآمد تا این آرزو را در مورد حداقل دو میدان جاذبه و الکترومغناطیسی پیاده کند که متاسفانه علیرغم تلاش زیادش موفق نشد.
در فیزیک جدید، ذرات به دو دسته تقسیم می شوند: ذرات مادی مانند (الکترون یا نوترون) و ذراتی که عامل انتقال نیرو هستند (مانند گراویتون). دسته اول را به احترام فرمی فیزیکدان مشهور آمریکایی، فرمیون می نامند و دسته دوم را به احترام بوزه (Satyendra Bose) فیزیکدان هندی، بُزون می نامند. به طور خلاصه، تئوری کوانتوم بر این باور است که هر چهار نیروی طبیعت ناشی از تبادل انواع کوانتوم های انرژی یا همان بُزون هاست. در این تعبیر، نیروی الکترومغناطیسی ناشی از تبادل ذرات فوتون، نیروی هسته ای ضعیف ناشی از تبادل بُزون های w، نیروی هسته ای قوی ناشی از تبادل بُزون های گلوئون و نیروی جاذبه ناشی از تبادل بُزون های گراویتون هستند. با این برداشت، میدان ماکسول تنها به توصیف میدان الکترومغناطیسی می پردازد که بُزون آن فوتون است. می توان میدان کلی تری در نظر گرفت که تمام بُزون ها را در بر بگیرد و میدان ماکسول را حالت خاص آن دانست. این میدان بُزونی را اولین بار دو فیزیکدان به نام های یانگ و میلز در سال 1954 معرفی نمودند و به همین دلیل به میدان یانگ- میلز معروف گشت. بزون های میدان یانگ- میلز می توانند برخلاف فوتون که فاقد بار الکتریکی هست دارای بار مثبت یا منفی هم باشند. به عنوان مثال، بُزون w می تواند بار الکتریکی 1+، صفر و 1- داشته باشد. در حال حاضر میدان یانگ- میلز به قدری در مبحث ذرات بنیادی جا افتاده است که به عنوان مدل استاندارد برای توصیف اثرات و همکنش های انواع گوناگون ذرات اتمی به کار گرفته می شود.
طبق مدل استاندارد، ماده مجموعه ای است از ذرات کوارک و لپتون که با هم همکنش دارند و در میدان یانگ- میلز شناورند و بُزون های گوناگونی را رد و بدل می کنند. امروز دیگر ذراتی مانند نوترون و الکترون ذرات بنیادی به شمار نمی آیند چرا که خود آنها از مجموعه ذرات کوچکتر کوارک تشکیل می شوند. کوارک ها انواع گوناگون دارند و شامل 36 گونه می شوند. مثلا، نیرویی که چند کوارک را در کنار هم نگاه می دارد یک میدان یانگ- میلز متراکم است که شامل بُزون های گلوئون می شود. این میدان به قدری قوی هست که اجازه رهایی به هیچکدام از کوارک ها نمی دهد و به همین دلیل هم هست که تا امروز یک کوارک تنها مشاهده نشده است. باز به همین دلیل است که میدان یانگ- میلز را "قفس کوارکی" نیز می نامند و نیروی ناشی از تبادل گلوئون به نیروی هسته ای قوی مشهور است. در میدان یانگ- میلز مربوط به همکنش ذرات لپتون (مانند الکترون)، بُزون های w+ , wo, w- و z مبادله می شوند که منجر به تولید نیرویی بسیار ضعیف به نام نیروی هسته ای ضعیف می گردد.
نتیجه بحث ما تا اینجا نشان می دهد که هر جسمی که در جهان وجود دارد مجموعه ای از میدان های مختلف را در اطرافش داراست. توسط همین میدان هاست که اجسام بر روی همدیگر اثر می گذارند. بنابراین، کاربرد کلمه ای نظیر خلاء یا فضای خالی بی معنی است چرا که هیچ نقطه ای از فضای باصطلاح خالی نیست که توسط یک یا چند میدان متاثر نشده باشد و هندسه آن تغییر نیافته باشد. در مقیاس میکروسکوپی، فضای باصطلاح خالی اتم از چندین میدان متاثر می شود. در مقیاس بزرگ نیز جهان اقیانوسی از میدان هاست و آنچه اهمیت دارد همین میدان هاست.
به همین دلیل، مطالعات و تحقیقات امروز فیزیک بیشتر بر روی میدان ها تمرکز یافته است و لذا شناخت ما از میدان ها بیشتر از شناخت ما از ماده است. در حال حاضر، علیرغم درک نسبتاً خوبی که از کوارک ها و لپتون ها داریم، هنوز نمی توانیم یک پاسخ همه پسندی به اینکه ماده چیست و چه ماهیتی دارد بدهیم. ولی تلاش ادامه دارد و در این تلاش، فردی به نام کلیفورد و فیزیکدان معاصری به نام ویلر تعریف جالبی از ماده ارائه می کنند. در این تعریف، ماده نتیجه انحنای فضا تفسیر می شود. مکانیک کوانتوم نیز ماده را به عنوان انحنایی در فضای هیلبرت (یعنی فضایی که بینهایت بعد دارد) در نظر می گیرد. آنجا که فضا صاف است مانند فضای تهی نمود می یابد و آنجا که خمیدگی شدیدی دارد به صورت ماده ظاهر می شود.
نابجا نخواهد بود اگر قبل از به پایان بردن این بخش اشاره ای هم به موضوع آغاز جهان بنماییم. تا امروز نظریه و مدل های زیادی در مورد پیدایش جهان ارائه گردیده است. در میان آنها، دانشمندان مدل بیگ بنگ را که اولین بار توسط گاموف و همکارانش در دهه های چهارم و پنجم ارائه شد بیشتر می پسندند. طبق این مدل، آغاز جهان به حدود بیست میلیارد سال قبل برمی گردد، زمانی که در پی یک انفجار عظیم خلقت آغاز شد. در این مدل، حجم جهان قبل از انفجار برابر صفر فرض می شود. اعتقاد بر این است که تمام ماده عالم در آن حجم صفر متمرکز بود و لذا جهان دانسیته ای برابر بی نهایت داشت. پیرو انفجار، جهان تحت تاثیر انرژی انفجار شروع به انبساط نمود که هنوز هم ادامه دارد. اکثر فیزیکدان ها معتقدند که خود فضا و زمان نیز از همین دوران شروع به شکل گیری کرده اند.
نظر بر این است که در لحظات بسیار اولیة بیگ بنگ تنها یک نیرو یا یک میدان واحد وجود داشته است و ساختار جهان و پدیده های آن به قدری ساده و ابتدایی بود که باید بتوان همگی را تنها به کمک یک تئوری ساده مطالعه و بیان نمود. جای تردید نیست که از پدیده های پیچیده ای مانند شکل گیری یک پروتون یا تولد یک باکتری و یا پیدایش انسان که امروز ما شاهد آنها هستیم هیچ خبری نبوده است. بنابراین، در مقایسه با فیزیک پیچیده امروز که ناگزیر است تا پدیده های پیچیده امروز و چهار نیرو (یا میدان) را توصیف کند، فیزیکی که بخواهد پدیده های ساده و تنها نیرو (یا میدان) موجود آن دوران را توصیف کند باید بسیار ساده تر باشد. بنابراین، باید تنها یک تئوری کافی باشد که مبنا و اساس فیزیک سادة آن دوران را شکل دهد. این تئوری فرضی به "تئوری واحد بزرگ" یا باختصار GUT معروف است و کشف آن به قدری برای فیزیک جدید اهمیت دارد که امروزه اکثر تلاش ها صرف یافتن آن می شود.
طبق مدل بیگ بنگ، در زمانی برابر با جزء فوق العاده کوچکی از یک ثانیه بعد از انفجار، دمای جهان برابر میلیارد میلیارد میلیارد درجه بوده است. این دورة فوق العاده کوتاه مدت، به "دوره تئوری واحد" مشهور است. با پایان این دوره، هرقدر دمای جهان در اثر انبساط جهان کاهش یافت، نیروی واحد زمان بیگ بنگ با چند نیرو جایگزین شد. امروز که دمای جهان از میلیاردها درجة دوره GUT به حدود 2 درجه کلوین رسیده است، چهار نیروی شناخته شده وجود دارند. همانطور که در بالا اشاره شد، علاوه بر این تنوع نیروها، فیزیک سادة دوره GUT نیز تبدیل به فیزیک پیچیده امروز شده است تا بتواند اوضاع کنونی جهان را توصیف و بررسی کند. مشابه برف که حالت یخزده بخار است، فیزیک پیچیده امروز هم حالت یخزده فیزیک ساده دوره GUT و جهان فوق العاده پیچیده امروز نیز حالت یخزده جهان ساده دوره GUT است. در یک جمله : کاهش دما سادگی را به پیچیدگی تبدیل کرده است.

کد مطلب: 1384

آدرس خبر: http://www.iptra.ir/vdcezev8jh8x.html

کانون ايرانی پژوهشگران فلسفه و حکمت http://www.iptra.ir