غایتی ورای قوانین طبیعت... آری یا خیر؟

به‌ گفته‌ پَجِلز( فیزیک دان‌ آمریكایی‌): هیچ‌ شاهد علمی‌ بر وجود خالق‌ جهان ‌طبیعت‌ و اراده‌ یا غایتی‌ ورای‌ قوانین‌ شناخته‌ شده‌ طبیعت‌ نداریم‌.

به‌ قول‌بونر ( فیزیک دان‌ انگلیسی‌): كار علم‌ این‌ است‌ كه‌ برای‌ تمام‌حوادث‌ جهان‌ واقعی‌، تبیین هایی‌ عقلانی‌ فراهم‌ كند. اگر دانشمندی‌ در توضیح‌ چیزی‌، به‌ خدا متوسّل‌ شود، از حرفه‌ علمی‌ خود دور شده‌ است‌. اگر نتواند مسئله‌ای‌ را تبیین‌ كند، باید از داوری‌ درباره‌ آن‌ بپرهیزد و باید باور كند كه‌ نهایتاً برای‌ آن‌ تبیین‌ عقلانی‌ خواهد یافت‌

به‌ باور هاوكینگ‌ ( فیزیک دان‌ انگلیسی‌): می‌توان‌ جهان‌ را به‌ وسیله‌ الگویی‌ ریاضی‌ توصیف‌ كرد كه ‌تنها با قوانین‌ فیزیك‌ تعیین‌ می‌شود و وقتی‌ در شرایط‌ دیگری‌ از او می‌پرسند: در قرن‌ هفدهم‌، نیوتون‌ و كپلر احساس‌ می‌كردند كه‌ به‌ آثارمنظّم‌، منطقی‌ و زیبای‌ خداوند نظر می‌افكنند، ولی‌ حالا وقتی‌ كه‌ ما به‌این‌ معادلات‌ نگاه‌ می‌كنیم‌، چه‌ می‌فهمیم‌؟ جواب‌ می‌دهد: «ماهنوز اعتقاد داریم‌ كه‌ جهان‌ منطقی‌ و زیباست‌، تنها واژه‌ خداوند راحذف‌ كرده‌ایم‌

لینده‌ نیز در دهه‌ 1980، در سمپوزیومی‌ درباره‌ جهان‌ اوّلیه‌ چنین‌گفت‌: امكان‌ خلقت‌ از هیچ‌، جالب‌ است‌ و باید بیشتر مطالعه‌ شود. سؤال‌ِ حیرت‌انگیز این‌ است‌ كه‌ چه‌ چیزی‌ پیش‌ از پیدایش‌ جهان‌ وجود داشت‌؟ چنین‌ به‌ نظر می‌رسد كه‌ این‌ سؤال‌ مطلقاً متافیزیكی‌باشد. امّا تجربه‌ ما از متافیزیك‌ می‌گوید كه‌ گاهی‌ چنین‌ پرسش های ‌متافیزیكی‌ پاسخ‌ خود را از فیزیك‌ دریافت‌ می‌كنند.

خلقت و وجود خدا با فیزیک جدید قابل تبیین نیستند

استاد فلسفه کالج سنت اولاف مینه‌سوتای آمریکا معتقد است: پرسشهای مهم درباره خلقت و جهان هستی با فیزیک جدید قابل پاسخ نیستند. علت این است که خداوند از جنس ماده و انرژی نیست. دکتر چارلز تالیافرو استاد کالج سنت اولاف مینه‌سوتای آمریکا و فیلسوف دین معاصر در مورد اظهارات اخیر استفن هاوکینگ فیزیکدان معاصر مبنی بر مرگ فلسفه و عدم پاسخ این حوزه به سؤالات جدید بشر و توان علم در پاسخ به چرایی هستی به خبرنگار مهر گفت: فلسفه زنده و پویا است. تردید دارم که هاوکینگ در مورد فلسفه معاصر چیز زیادی بداند.

وی افزود: اظهارات هاوکینگ بیان فلسفه عجیب و غریب وی است. آیا هاوکینگ می‌تواند فرض کند که فیزیک جدید می‌تواند به این سؤال که ما چرا اینجا هستیم پاسخ دهد؟ و یا می‌تواند به این پرسش که ما از کجا آمده‌ایم پاسخی دهد. مؤلف "راهنمای آکسفورد درباره الهیات" تأکید کرد: به نظر من این پرسشها خارج از قلمرو علوم هستند و پاسخ به آنها از طریق علوم میسر نیست. برای پاسخ دادن به این پرسشها یک راه ابتنای پاسخها بر اساس فلسفه طبیعی و الهیات است.

وی تصریح کرد: بر اساس طبیعت گرایی هیچ قدرت مافوق بشری و غیر طبیعی وجود ندارد که جهان مبتنی بر آن باشد. بر اساس این دیدگاه خدایی که در همه جا وجود داشته باشد و جهان را خلق کرده باشد وجود ندارد. استاد پیشین دانشگاه آکسفورد در ادامه گفت: اشکال گوناگون طبیعت گرایی ادعا می‌کنند که ارزشها و اهداف انسانی باید به وسیله زیست شناسی تکاملی پاسخ داده شوند. آنها معتقدند که این زیست شناسی تکاملی می‌تواند به ارزشها و اهداف انسانی پاسخ دهد.

تالیافرو افزود: تقریباً همه اشکال طبیعت گرایی منکر وجود خدا هستند و معتقد نیستند که جهان را خدا خلق کرده است. هم طبیعت گرایان و هم الهی دانان پاسخها و دلایلی برای ادعاهای خود دارند. آنچه مسلم است چنین پرسشهای مهمی درباره خلقت و جهان هستی با فیزیک جدید قابل پاسخ نیستند. مؤلف "راهنمایی مقدماتی بر زیبایی شناسی" یادآور شد: علت این است که خداوند از جنس ماده و انرژی نیست. همچنین وقتی می گوئیم خدا نمی‌توان آنرا به چیزی فیزیکی ارجاع داد. برای آنکه بتوان به پرسشهای مربوط به خدا پاسخ داد و یا آنرا مورد بررسی قرار داد باید فلسفه طبیعت و یا شاید فلسفه علم را خواند و مطالعه کرد.

هاوکینگ در همایش زمان گوگل مدعی شد پرسشهای بنیادین درباره ماهیت و سرشت جهان بدون در نظر گرفتن داده‌های سخت افزاری قابل حل نبوده است. این داده‌ها از شتاب دهنده بزرگ ذرات و تحقیقات علوم فضایی به دست می‌آیند. وی اظهار داشته که فلسفه مرده است و نتوانسته مانند علوم مدرن و به ویژه فیزیک پیشرفت کند.

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت... بخش نهایی؛ "نظریه ریسمان"

نظریه ریسمان:

در دهه شصت، جئوفری چیو، از دانشگاه کالیفرنیا، نظریه جدیدی پیشنهاد کرد که به ذرات بنیادی، نمودارهای فاینمن و نظریه بازبهنجارش وابسته نبود. به جای فرض یک رشته قواعد پیچیده و در برگیرنده چگونگی برهم کنش ذرات بنیادی معینی با ذرات دیگر با کمک نمودارهای فاینمن، نظریه چیو، تنها خواستار این بود که ماتریس S که برخورد ذرات را به صورت ریاضی تشریح می کند، خود سازگار باشد. نظریه چیو بر پایه این فرض قرار گرفت که ماتریس S شدیدا تابع مجموعه ای از خواص ریاضی باشد. او سپس فرض کرد که این خواص باید آن قدر محدود کننده باشند که تنها یک راه حل امکان پذیر باشد. از آنجا که رویکرد چیو کاملا بر پایه ماتریس S و نه ذرات بنیادی یا نمودارهای فاینمن قرار داشت، نظریه او «نظریه ماتریس S» نامیده شد. دو نظریه میدان کوانتومی و ماتریس S؛ بر پایه فرضیه های مربوط به معنای «ذره بنیادی» قرار دارند. نظریه میدان کوانتومی بر پایه این فرضیه قرار دارد که کلیه مواد، از مجموعه کوچکی از ذرات بنیادی تشکیل شده اند در حالیکه نظریه ماتریس S، بر پایه تعداد بینهایتی از ذرات که هیچ یک از آنها بنیادی نیستند، قرار دارد.

در سال 1968، دو فیزیکدان جوان گابریل ونزیانو و ماهیکو سوزوکی که هر یک به طور مستقل در مرکز تحقیقات هسته ای سرن در نزدیکی ژنو مشغول به کار بودند؛ سوال ساده ای را در یک جمع دوستانه مطرح کردند: اگر ماتریس S باید از این همه خواص محدود کننده طبیعت پیروی کند، در این صورت چرا سعی نکنیم که جواب آن را حدس بزنیم؟ آنها این کار را با کمک جداول مفصل ریاضی که از قرن هیجدهم ریاضیدانان جمع آوری کرده بودند به پیش بردند تا به تابع بتـا، فرمول ریاضی بسیار زیبایی که برای اولین بار، ریاضیدان سویسی لئونادر اویلر در قرن نوزدهم نوشته بودند، رسیدند. پس از بازبینی خواص تابع بتـا، آنها با تعجب دریافتند که این تابع خود به خود تقریبا با تمام فرضیه های چیو در مورد ماتریس S، سازگار است. فرمول اویلر، یک شبه سر و صدای فراوانی در دنیای فیزیک به راه انداخت. ظاهرا نظریه ماتریس S، بر نظریه میدان کوانتومی پیروز شده بود. صدها مقاله تهیه شد که در آنها سعی می شد همخوانی داده های بسیاری که از اتم شکنها، به دست می آمد، با تابع بتـا نشان داده شود. مقالات زیادی مخصوصا در مورد حل فرضیه آخر چیو که هنوز بلاتکلیف مانده بود؛ یعنی عدم رعایت تابع بتـا از یکانی یا پایستگی احتمال، نوشته شد. خیلی سریع، تلاشهای برای پیشنهاد حتی نظریه پیچیده تری که داده های تجربی در آنها بهتر جا بیفتند، انجام گرفت. به زودی جان شوارتز و فیزیکدان فرانسوی آندره نوو که هر دو در آن زمان در دانشگاه پرینستون کار می کردند و پیر رامون که در آن زمان در آزمایشگاه ملی شتابدهنده در نزدیکی شیکاگو کار می کردند، نظریه ای پیشنهاد کردند که ذرات با «اسپین» را در خود جای می داد. نظریه ای که سرانجام نظریه ریسمان شد. با وجود اهمیت تابع بتـا، یک موضوع قابل ایراد برجای ماند: آیا خواص عالی این فرمول تنها تصادفی بود یا از ساختار زیر بنایی فیزیکی عمیق تری بر می خاست؟ جواب این سوال در 1970، زمانی ارائه شد که یوشیرو نامبو از دانشگاه شیکاگو نشان داد که این تابع برجسته بتـا، مدیون خواص ریسمانهای برهم کنش کننده است. موقعی که این رهیافت جدید، در نظریه نوو، شوارتز و رامون به کار گرفته شد؛ نظریه کنونی ریسمان به وجود آمد.

نظریه ریسمان بهترین جنبه های نظریه ماتریس S و نظریه میدان کوانتومی را که از بسیاری جهات مخالف یکدیگر هستند، ترکیب می کند. نظریه ریسمان، چون بر پایه واحدهای بنیادی ماده قرار دارد، به نظریه میدان کوانتومی شبیه است. اما نظریه ریسمان، به جای در نظر گرفتن ذرات نقطه ای، بر پایه ریسمانهایی که از طریق نمودارهای شبه فاینمن، شکسته می شوند و دوباره شکل می گیرند، قرار دارد. برتری بارز نظریه ریسمان به میدان کوانتومی آن است که باز بهنجارش ضروری نیست. تمام نمودارهای حلقه ای در هر سطح، احتمالا خود به خود محدود هستند و بنابراین نیازی به حذف بینهایتها نیست. به طرز مشابهی؛ چون نظریه ریسمان می تواند تعداد بینهایتی از ذرات بنیادی را در خود جای دهد، به نظریه ماتریس S شباهت دارد. طبق این نظریه، انواع بینهایت ذراتی که در طبیعت یافت می شوند، تنها تشدیدهای مختلف همان ریسمان هستند و هیچ ذره ای از ذره دیگر بنیادی تر نیست. اما برتری چشمگیری که نظریه ریسمان نسبت به نظریه ماتریس S دارد، امکان محاسبه با نظریه ریسمان و در نتیجه به دست آوردن اعدادی برای ماتریس S است. (عکس این کار؛ یعنی انجام محاسبه با نظریه ماتریس S و استخراج اعداد قابل استفاده، بسیار مشکل است.)

حال مسئله این بود که روشن شود از برخورد ریسمانها، چه واقعه ای رخ میدهد؟ از آنجا که هر مد ریسمان نمایشگر یک ذره است؛ درک چگونگی برخورد ریسمانها به ما اجازه می داد که ماتریس S برهم کنشهای عادی ذرات را محاسبه کنیم. سه فیزیکدان که در دانشگاه ویسکانسین کار می کردند، پیشنهاد جدیدی را ارائه کردند. این پیشنهاد مبتنی بر آن بود که آخرین فرض برجای مانده ماتریس S چیو (یگانه بودن)، می توانست به همان روش نظریه باز بهنجارش؛ یعنی اضافه کردن حلقه ها حل شود. به عبارت دیگر این فیزیکدانان پیشنهاد کردند که نمودارهای فاینمن را دوباره برای این ریسمانها وارد میدان کنند. پیشنهاد آنها سرانجام توسط کاکو و همکار او لوپینگ یو، هنگامی که در دانشگاه کالیفرنیا دانشجو بودند و همچنین کلود لولاس که در آن زمان در مرکز سرن کار می کرد و وی. آلساندرینی، فیزیکدان آرژانتینی تکمیل شد.

به طور خلاصه می توان ذکر کرد که دو گونه ریسمان وجود دارد: ریسمانهای باز که انتها دارند و ریسمانهای بسته که دایره ای شکل هستند. نظریه میدان برهم کنشهای ریسمان را کاکو و کیجی کیکاوا در 1974 تکمیل کردند. آنها نشان دادند که کل نظریه ریسمان را می توان به صورت یک نظریه میدان کوانتومی، نه بر پایه ذرات نقطه ای بلکه بر پایه ریسمانهای مرتعش خلاصه کرد. هنگامی که نمودارهای فاینمن برای ریسمانهای برهم کنش کننده شناخته شد، حذفهای پی در پی جالبی روی داد که ظاهرا موجب حذف کلیه عبارتهای بینهایت و دستیابی به یک جواب محدود شد. در حال حاضر می دانیم که اثبات فقدان واگرایی نظریه ریسمان، نیاز به توپولوژی پیشرفته جبری دارد.

با وجود اینکه نظریه ریسمان طرح تخیلی ریاضی بسیار زیبایی بود و به نظر می آمد که با بعضی از داده های برهم کنشهای قوی همگرایی دارد، مشکلات نا امید کننده ای در این مدل مطرح شد:

* تعداد ذرات پیش بینی شده توسط این نظریه، بیش از اندازه بود. نظریه ذراتی داشت مانند «گراویتون» ها (بسته های کوانتومی نیروی گرانشی) و «فوتون» ها عمل می کردند. در واقع پایین ترین ارتعاش ریسمان بسته، به گراویتون و پایین ترین ارتعاش یک ریسمان باز، به فوتون مربوط می شد. [البته این صرفا برای نظریه ای که تشریح برهم کنشهای قوی و نه گرانش و الکترومغناطیس از آن انتظار می رفت، فاجعه آمیز بود. ولی در عین حال این مطلب موهبتی ناخواسته بود که در آن زمان مورد توجه قرار نگرفت. گرانش و برهم کنشهای نور که در مدل ریسمان اتفاق می افتد؛ دقیقا همان چیزی است که برای ایجاد یک نظریه میدان واحد مورد نیاز است]

* همچنین به نظر می رسید که نظریه، وجود ذراتی به نام «تاکیون» ها را پیش بینی می کند که با سرعتی فراتر از سرعت نور حرکت می کنند. این ذرات از آن جهت نامطلوب هستند که به طور غیرمستقیم، علیت را زیر پا می گذارند.

* در نهایت، فیزیکدانان کشف کردند که نظریه اصلی، تنها در بیست و شش بعد خودسازگار است.!

برای دانشمندانی که عادت داشتند در چهار بعد متعارف بیندیشند، این نظریه، بیشتر به نظرشان شبیه به داستانهای علمی تخیلی و نه علم واقعی می رسید؛ در نتیجه نظریه ریسمان در حدود سال 1974 محبوبیت خود را از دست داد و اکثریت فیزیکدانان با احساس تردید، این الگو را کنار گذاشتند.

دهه بین 1974 و 1984 برای مدل ریسمان، دهه عقب نشینی بود. اغلب فیزیکدانان در زمینه نظریاتی چون الکتروضعیف و نظریه یگانگی بزرگ که پیشرفت سریعی داشت کار می کردند. تنها دانشمندانی که خیلی علاقه مند بودند مانند مایکل گرین از کالج کوئین مری لندن و جان شوارتز از موسسه فناوری کالیفرنیا، نظریه را به پیش بردند. در سال 1976، چند نفر از فیزیکدانان سعی کردند با پیشنهادی که به نظر بیگانه می آمد، جان دوباره ای به نظریه ببخشند. جوئل شرک از پاریس و جان شوارتز توصیه کردند که الگوی ریسمان، از نو تفسیر شود. آنها تصمیم گرفتند که از یک عیب، یک حسن بسازند. شاید این «گراویتون» و «فوتون» ناخواسته نظریه، در واقع همان گراویتون و فوتون حقیقی باشد. با این رهیافت، نظریه ریسمان، نظریه درستی بود که برای یک مسئله غلط به کار گرفته شده بود. به جای اینکه این نظریه، تنها نظریه برهم کنشهای قوی باشد، در حقیقت یک نظریه جهان شمول بود! اما تفسیر دوباره مدل ریسمان، با بدبینی بسیاری رو به رو شد.

برداشت فیزیکدانان این بود که نظریه ریسمان برای اینکه با واقعیت تطبیق کند، دارای تقارن زیادی است. با وجود اینکه مدل ریسمان، مورد بی مهری قرار گرفت، اما بسیاری از تولیدات جانبی آن روی موضوعات مختلف فیزیک نظری در دهه 1974 تا 1984 گرده افشانی کردند. نظریه ریسمان، چنان ساختار نظری غنی داشت که موضوعات جانبی که در چار چوب این نظریه بررسی شده بود، در داخل جامعه فیزیک، گردش می کرد. به عنوان مثال؛ کن ویلسون از دانشگاه کرنل، از مفهوم تازه ریسمان برای پیشنهاد اینکه کوارکها به صورت همیشگی با یک جسم چسبناک به هم پیوند داده شده اند، استفاده کرد. نظریه ویلسون پیشنهاد کرد که گلوئونهای یانگ میلز که در نظریه کوارک پیدا شده و معمولا خود را به صورت ذرات نشان می دادند، ممکن است در پاره ای از شرایط به صورت یک خمیر شیرینی چسبناک «متراکم شده» و کوارکها را به هم فشرده نگه دارند. وی همچنین بیان کرد که احتمالا این ذرات گلوئون به ریسمان های خمیر گونه ای که کوارکها در انتهای آن هستند، خیلی شبیه به چگالیده شدن بخار آب به قطرات آب می شوند. بر پایه این منطق، کوارکها را هرگز نمی توان دید زیرا برای همیشه توسط ریسمانها محبوس شده اند. نظریه ریسمان ویلسون، از نظر اصولی، توانمندی کافی برای محاسبه تقریبا همه خواص برهم کنشهای قوی را دارد. ویلسون به پاس پیشگامی در این زمینه که «گذارهای فازی» نام گرفته است در 1983 به دریافت جایزه نوبل مفتخر شد. مطلب دیگری که از نظریه ریسمان بیرون آمد، «ابر تقارن» بود که می توانست در نظریه های چهار بعدی نیز کاربرد داشته باشد و در اواخر دهه 1970 بسیار مورد پسند واقع شد. چند سال بعد، نوع عالیتری از ابر تقارن پیشنهاد شد که گرانش را نیز در بر میگرفت و «ابر گرانش» نامگذاری شد. این نظریه ابتدا توسط پتر نیوونهویتزن، دان فریدمن و سرگیو فرارا که در آن زمان در دانشگاه ملی نیویورک در استونی بروک بودند شکل گرفت و اولین گسترش غیر ابتدایی معادلات اینشتین پس از شصت سال شد. بالاخره، حتی نظرگاه منفی فیزیکدانان علیه ابعا بالاتر فضا زمان، با رواج الگوهای کالوتزا کلاین در اوایل دهه 1980، شروع به ازهم پاشیدگی کرد. پاره ای از پدیده های کوانتومی می توانست حتی نظریه های با ابعاد بالاتر را از نظر فیزیکی پذیرا باشند. اما هنوز نیز نظریه ای که بزرگترین مجموعه از تقارنهای شناخته شده علم را در بر می گرفت، به طور کامل غیر قابل استفاده تلقی میشد و این بخاطر بروز «نابهنجاریها» بود.

یکی از نتایج جنبی ترکیب مکانیک کوانتومی و نسبیت، نابهنجاریها هستند. این نابهنجاریها بسیار ریزند؛ اما نقصهای ریاضی مخربی در نظریه میدان کوانتومی ایجاد می کنند که باید از بین برده شده یا حذف شوند. هر نظریه، با وجود این نابهنجاریها، معنا و مفهوم خود را از دست می دهد. نابهنجاریها در اغلب نظریاتی که شامل تقارن هستند، ظاهر می شوند. ادوراد ویتن و لوئیز آلوارز گم از دانشگاه پرینستون به این نتیجه دست یافتند که اگر از نظریه میدان کوانتومی برای بیان گرانش در برهم کنش با ذرات دیگر استفاده شود، نظریه مملو از نابهنجاریهای مخرب خواهد شد. سپس در 1984، گرین و شوارتز مشاهده کردند که الگوی ریسمان به قدر کافی تقارن دارد تا نابهنجاریها را یک بار و برای همیشه از خود دور کند. حال تقارن ریسمان که زمانی زیباتر از آن به نظر می آمد که کاربرد عملی داشته باشد، به صورت کلیدی برای حذف تمام بینهایتها و نابهنجاریها در آمده است. این تحول تکان دهنده، در ظرف چند ماه نظریه ریسمان را به تنها امید پیش روی فیزیکدانان برای دستیابی به نظریه یگانگی میدان تبدیل کرد. تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ریسمان که در اوایل دهه 1980 بسیار محدود بود، به بیش از هزار مقاله در 1995 رسید و این نظریه را به صورت نیروی حاکم در زمینه فیزیک نظری درآورد.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت... قسمت ششم

فراتر از مدل استاندارد:

در حال حاضر، فیزیکدانها برهم کنشهای ذرات زیر اتمی را با انرژیهای بیشتر از یک تریلیون الکترون ولت امتحان کرده و هیچ گونه انحراف تجری از مدل استاندارد مشاهده نشده است. با این حال، گرچه این نظریه، به دور از هر گونه شبه ای موفقیت آمیز بوده است ولی این مدل به دلایل زیر رضایت بخش به نظر نمی رسد:

* برهم کنشهای قوی با سی و شش کوارک توصیف می شوند و دارای شش مزه، سه رنگ و جفت ماده / پاد ماده هستند. «چسب» ای که آنها را به هم پیوند می دهد تا پروتونها و نوترونها را تشکیل دهند، گلوئونها هستند که به وسیله میدان یانگ میلز توصیف می شوند که در مجموعه هشت میدان گلوئون وجود دارند.

* برهم کنش ضعیف نیز با لپتون ها که شامل سه نسل از الکترون، مئون و تاو به همراه نوترینوی وابسته به آنها توصیف می شوند که به نوبه خود با تبادل ذرات W و Z برهم کنش می کنند؛ که میدانهای شدید یانگ میلز هستند.

* نوزده ضریب اختیاری که شامل جرم لپتونها، جرم ذرات W و Z و همچنین شدت نسبی برهم کنشهای قوی و ضعیف را شامل می شود. لازم به ذکر است که مدل استاندارد، مقدار این نوزده عدد را مشخص نمی کند، بلکه آنها را به طور دستی و بدون توجیه در مدل جا داده شده و با اندازه گیری دقیق خواص این ذرات تعیین شده اند.

* برهم کنشهای الکترومغناطیسی که در بستر میدان ماکسولی با تبادل فوتونها توصیف می شوند.

* سرانجام ذره هیگز که شکستن تقارن میدان یانگ میلز را باعث می شود.

* و در نهایت؛ با توجه به اینکه هدف غایی فیزیک، اتحاد بین تمامی نیروهای شناخته شده و رسیدن به یک نظریه واحد است و از آنجا که مدل استاندارد، نیروی گرانشی را توصیف نمی کند، این مدل صرفا با تمام موفقیتهای اعجاب انگیزش یک گام میانی شناخته می شود.

ساده ترین نظریه ای که بتواند تمامی این ذرات را تجدید سازمان دهد، تقارن SU₅ است؛ که هوارد گئورکی و شلدون گلاشو، آن را در 1974، محاسبه کردند. در این نظریه یگانگی بزرگ، تقارن SU₅ الکترون، نوترینو و کوارکها را به هم پیوند می دهد. آزمایش این نظریه به دلیل اینکه انرژیهایی که در آنها، برهم کنشهای قوی با نیروی الکتروضعیف یگانه می شوند، فراتر از میزان انرژی شتابدهنده های امروزی است، بسیار مشکل است. این نظریه پیش بینی می کند که کوارک می تواند با گسیل یک ذره دیگر به الکترون تبدیل شود. البته این بدین معنی است که پروتون در نهایت به الکترون واپاشی می کند و بدین ترتیب، طول عمر محدودی دارد. این پیش بینی شایان توجه نظریه یگانگی بزرگ که پروتون سرانجام باید به الکترون واپاشی کند، نسل جدیدی از فیزیکدانان تجربی را در سراسر جهان بر آن داشت که به دنبال آزمایش این پیش بینی برآیند. با وجود اینکه نظریه یگانگی بزرگ، نمایانگر پیشرفتی مهم در اتحاد نیروی الکتروضعیف با نیروی قوی است، اما هنوز با مسائل تجربی جدی رو به روست و علاوه بر آن، این نظریه هنوز از نظر تئوری نیز کامل نیست. به عنوان مثال؛ این نظریه نمی تواند توضیح دهد که چرا سه خانواده ذرات که کپی یکدیگر هستند، وجود دارد و همچنین تعداد زیادی از ثابتهای اختیاری (مانند جرم کوارکها، جرم لپتونها و تعداد ذرات هیگز) در نظریه وجود دارد. مهمتر از تمامی این مشکلات، همانند مدل استاندارد، این نظریه، نیروی گرانشی را در بر نمی گیرد و نمی تواند به عنوان یک نظریه نهایی مطرح شود.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت پنجم

مدل استاندارد:

در ژوئیه 1994، فیزیکدانان آزمایشگاه ملی فرمی یک کشف تازه و سرنوشت ساز انجام دادند؛ آنها توانستند که «کوارک سر» را آشکارسازی نمایند. خبر این کشف بزرگ در صفحه اول روزنامه نیویورک تایمز، به عنوان تیتر اصلی قرار گرفت! چیزی که به کوارک سر این قدر اهمیت داده بود این بود که این آخرین کوارک برای تکمیل «مدل استاندارد» یعنی نظریه کنونی در زمینه برهم کنشهای ذرات و موفق ترین تئوری تاریخ علم بود. فیزیکدانان در سال 1977، اندکی پس از کشف «کوارک ته» در آزمایشگاه ملی فرمی، در جستجوی این ذره بودند، که تلاش آنها در طول پانزده سال بی نتیجه بود. اکثر همایشهای بین المللی فیزیک ذرات، شامل گزارشهایی از شکست های پی در پی آزمایشهای کوارک سر بود.

برای به دام انداختن کوارک سر، شتابدهنده ذرات آزمایشگاه فرمی که تواترون نام دارد دو باریکه از ذرات زیراتمی بسیار پر انرژی تولید کرد که در داخل لوله بزرگ دایره ای شکلی، در دو جهت مخالف حرکت می کردند. باریکه اول از پروتونهای معمولی تشکیل شده بود و باریکه دیگر که در جهت عکس باریکه اول و در زیر آن حرکت می کرد، از پادپروتون تشکیل شده بود. سپس تواترون، این دو باریکه ذرات را به هم برخورد می داد به طوری که پروتونها، پاد پروتونها را با انرژی حدود دو تریلیون الکترون ولت خرد کنند. انرژی عظیم آزاد شده ناشی از این برخورد ناگهانی، سیلی از خرده های زیراتمی را رها می ساخت. با استفاده از تعداد زیادی دوربین عکاسی خودکار و پیچیده و کامپیوتر، فیزیکدانها این خرده ها را از میان یک تریلیون عکس، تحلیل کردند. سپس؛ چندین گروه از فیزیکدانها به بررسی داده ها پرداختند، عکسها را با دقت بازبینی کردند و در نهایت، دوازده برخورد انتخاب شد که «اثر انگشت» برخورد یک کوارک سر در آنها یافت می شد. فیزیکدانان سپس برآورد کردند که کوارک سر، باید جرمی برابر با 174 میلیارد الکترون ولت داشته باشد؛ بدین ترتیب این سنگین ترین ذره بنیادی بود که تا آن زمان کشف شده بود. در واقع، این ذره بسیار سنگین، تقریبا هم جرم با طلا است.

برای درک اهمیت کشف کوارک سر لازم است بدانیم که کوارکها در چندین جفت یا در چند نسل یافت می شوند. پایین ترین نسل، کوارک «بالا» و «پایین» نام دارد. زمانی که سه تا از این کوارکها سبک با هم ترکیب شوند، پروتون و نوترون را تشکیل می دهند. (پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین و نوترون از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل شده است.) هر یک از کوارک های بالا و پایین به نوبه خود در سه «رنگ» مختلف وجود دارند. بنابراین کوارک های نسل اول، شش کوارک را در بر می گیرند. نسل سنگین تر بعدی کوارک ها، کوارک «شگفت» و کوارک «دلربا» نام دارند. موقعی که این کوارکها به هم می پیوندند، بسیاری از فرآیندهای سنگین موجود در خرده های ناشی از برخورد اتمها، به وجود می آیند. این کوارکها نیز در سه رنگ ظاهر می شوند. کشف کوارک ته در 1977 به این معنی بود که نسل سومی از کوارکها و همچنین کوارک سر نا آشکاری که سومین جفت را تکمیل می کند، باید وجود داشته باشد. بنابراین الگوی معیار یا مدل استاندارد، بر سه نسل کوارک پایه گذاری شد که هر نسل به استثنای جرم خود، همانند نسل قبلی بود. امروزه می دانیم که، کوارکها در شش طعم (بالا، پایین؛ شگفت، دلربا؛ سر و ته) و همچنین سه رنگ یافت می شوند. بنابراین تعداد کوارکها هجده است و چون هر ماده، پاد ماده ای دارد، تعداد کوارکها و پاد کوارکها سی و شش می شود.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت چهارم

برهم کنشهای قوی:

دیدیم که تقارن پیمانه ای، واگراییهای نظریه الکترودینامیک کوانتومی و نظریه الکتروضعیف را حذف کرد. اما آیا تقارن پیمانه ای می توانست راهگشای حذف بینهایتهای برهم کنش قوی نیز باشد؟ سرآغاز نظریه برهم کنشهای قوی به سال 1935 بر می گردد. در این سال، فیزیکدان ژاپنی هیدکی یوکاوا پیشنهاد کرد که پروتونها و نوترونها با کمک نیروی جدیدی به هم فشرده نگه داشته می شوند که با تبادل ذراتی به نام «مزونهای پی» به وجود می آید؛ وی همچنین توانست جرم این ذرات فرضی را پیش بینی کند. یواکاوا اولین شخصی بود که تبادل ذرات سنگین را برای توضیح نیروهای کوتاه برد، لازم دانست. در سال 1947، فیزیکدان انگلیسی سسیل پاول، این مزون را در جریان آزمایشی با پرتوهای کیهانی کشف کرد. جرم این ذره، با آنچه یوکاوا در دوازده سال قبل پیش بینی کرده بود، بسیار نزدیک بود. به پاس کار پیشگام یوکاوا در آشکار کردن اسرار نیروی قوی، جایزه نوبل در 1949 به وی اعطا شد و پاول جایزه نوبل سال بعد را دریافت کرد. با وجود اینکه نظریه مزون با موفقیت بسیار رو به رو شد و قابلیت باز بهنجارش را داشت، اما فیزیکدانان در دهه های 1950 و 1960 با استفاده از شتابدهنده ها، صدها ذره با برهم کنشهای قوی از انواع گوناگونی که اکنون «هادرون» نامیده می شوند را کشف کردند. با وجود صدها هادرون، هیچ کس نمی توانست بفهمد که با کاوش بیشتر هر روز دانشمندان در قلمرو زیراتمی، چرا طبیعت به طور ناگهانی، بیشتر پیچیده می شود.! تا 1958، تعداد ذرات با برهم کنشهای قوی به قدری زیاد شده بود که فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا برای اینکه ردپای آنها را گم نکنند، نشریه ای را حاوی مشخصات آنها منتشر کردند؛ اولین نشریه نوزده صفحه داشت که مشخصات شانزده ذره در آن چاپ شده بود. در سال 1995، نشریه به دویست صفحه رسید که صدها ذره را تشریح می کرد. نظریه یوکاوا، با وجود باز بهنجارش پذیری، بسیار ابتدایی تر از آن بود که بتواند این باغ وحش ذرات را که از آزمایشگاه ها بیرون می آمدند، توضیح دهد؛ ظاهرا قابلیت بازبهنجارش کافی نبود!

اولین نظر قاطع در دهه 1950، توسط یک گروه از فیزیکدانان ژاپنی که سخنگوی آن شوئیشی ساکاتا از دانشگاه ناگویا بود، ارائه شد. گروه ساکاتا، با اشاره به آثار فلسفی هگل و انگلس، نظر داد که باید لایه ای در زیر هادرونها باشد که حتی از تعداد کمتری از ذرات زیر اتمی تشکیل شده است. ساکاتا ادعا که هادرونها باید از سه تا از این ذرات و مزون از دو ذره تشکیل شده باشد. گروه او همچنین پیشنهاد کرد که این ذرات پایه، باید از نوعی تقارن جدید به نام (۳)SU تبعیت کنند. این تقارن، روش ریاضی را که این سه ذره باید به هم آمیخته شوند، تشریح می کند. تقارن ریاضی  (۳)SU به ساکاتا و گروه او اجازه داد تا پیش بینیهای ریاضی دقیقی درباره لایه موجود در زیر هادرونها به عمل آورند. مکتب ساکاتا، با تکیه بر اصول فلسفی و ریاضی، استدلال کرد که ماده باید از یک دسته بینهایت از این لایه ها، تشکیل شده باشد؛ این نظریه گاهی نظریه دنیاهایی در میان دنیاها نامیده می شود. طبق نظریه ماتریالیسم دیالکتیک، هر لایه از واقعیت فیزیکی، از برهم کنش قطبها آفریده می شود؛ به عنوان مثال، برهم کنش ستاره ها، کهکشانها را به وجود می آورد. برهم کنش بین سیاره ها و خورشید، منظومه شمسی را خلق می کند. برهم کنش بین الکترون و هسته، اتم را به وجود می آورد و بالاخره، برهم کنش بین پروتونها و نوترونها، هسته را می آفریند.

کشف غیر منتظره بعدی، بر پایه این عقیده که لایه ای در زیر هادرونها وجود دارد، در اوایل دهه شصت به دست آمد. موری گلمان از انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا و فیزیکدان اسرائیلی یووال نیمن نشان دادند که این صدها هادرون، در ردیف های هشت تایی جای می گیرند. گلمان، این نظریه ریاضی را «راه هشت گانه» نامید؛ نامی که از طریق وصول عقل محض در مکتب بودایی ها اقتباس شده بود. بعدها گلمان و جرج تسوایگ، نظریه کامل را پیشنهاد کردند. آنها کشف کردند که موضوع راه هشت گانه، از وجود ذرات زیر هسته ای ریشه می گیرد. (گلمان، آنها را با الهام از یک داستان جیمز جویس به نام مراسم عزاداری فینگن «کوارک» نامید!) این ذرات از تقارن  (۳)SU پیروی می کنند که مکتب ساکاتا، سالها قبل پیشگام آن بود. گلمان دریافت که با درنظر گرفت ترکیبات ساده ای از سه کوارک، می تواند به طرز معجزه آسایی صدها ذره ای را که در آزمایشگاه ها کشف شده بودند، توضیح دهد و مهمتر از آن، وجود ذرات کشف نشده ای را پیش بینی کند. به این ترتیب، او یک اشتباه کوچک ولی مهم را در نظریه ساکاتا تصحیح کرد. در واقع، با ترکیب مناسب این سه کوارک، گلمان توانست عملا تمام ذراتی را که در آزمایشگاه ها به ظهور رسیده بودند، توضیح دهد. به پاس سهمی که گلمان در فیزیک برهم کنشهای قوی داشت، جایزه نوبل سال 1969 به او اهدا شد.

در همین سالها و در اوایل دهه هفتاد، هیجان برخاسته از نظریه الکتروضعیف به سوی الگوی کوارک سرازیر شد. اما با وجود موفقیتی که نصیب الگوی کوارک شد، هنوز موضوع دیگری باقیمانده بود؛ نظریه بازبهنجارش پذیر و رضایت بخشی که بتواند نیروی نگه دارنده این کوارک را توضیح دهد، وجود نداشت! با وجود نتایج به دست آمده، عملا یک اتفاق نظر جهانی وجود داشت که نظریه یانگ میلز می تواند با موفقیت، کوارکها را در یک چارچوب بازبهنجارش پذیر، پیوند دهد. در پاره ای از شرایط، یک ذره یانگ میلز که «گلوئون» نام دارد، می تواند همانند یک ماده چسبناک، کوارکها را بهم متصل کند. این نیرو، «رنگ» نام دارد و نظریه منتج از آن «کرومودینامیک کوانتومی» نام گرفته است. حال مسئله بعدی که پیش روی فیزیکدانان قرار گرفته بود؛ این بود که آیا می توان یک نظریه واحد برای برهم کنش های قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی به وجود آورد؟

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

آشنایی با فلسفه فیزیک

در ميان شاخه‌هاي فلسفه، فلسفه‌ي فيزيك philosophy of physic پرسش‌هاي فلسفي بنيادي را كه در بنيان فيزيك جديد قرار دارند مطالعه مي‌كند و به پژوهش درباره‌ي ماده و انرژي و اين كه چگونه با هم اندركنش انجام مي‌دهند، مي‌پردازد. فلسفه‌ي فيزيك با تأمل درباره‌ي عليت، تعين (جبر) و ماهيت قانون فيزيكي آغاز مي‌شود. سپس به سراغ مباحثي مي‌رود كه با موضوعات مهم در فيزيك معاصر مطرح شده‌اند: كيهان‌شناسي فيزيكي (فضا، زمان، مبدأ و سرنوشت نهايي عالم)، مباني ترموديناميك و مكانيك آماري (انرژي، كار، كاتورگي، اطلاعات) و مكانيك كوانتومي (تفسيرهاي رقيب از آن، نتايج ضدشهودي آن).
قرن‌ها قبل، مطالعه‌ي عليت و ماهيت بنيادي فضا، زمان، ماده، و عالم بخشي از متافيزيك بود. امروزه، فلسفه‌ي فيزيك اساساً بخشي از فلسفه‌ي علم است.

فلسفه‌ي فضا و زمان

زمان:
در بسياري از فلسفه‌ها زمان را به مثابه‌ي تغيير تلقي مي‌كنند.
زمان كميتي است بنيادي (يعني، كميتي كه نمي‌توان بر اساس كميتي ديگر تعريف كرد، زيرا در حال حاضر ما چيزي را بنيادي‌تر از زمان نمي‌شناسيم). بنابراين زمان از طريق اندازه‌گيري تعريف مي‌شود- با فاصله‌ي زماني استانده‌ي آن. در حال حاضر، مدت 9.192.631.770 نوسان گذار فوق ظريف اتم سزيم 133 به مثابه‌ي فاصله‌ي زماني استانده (موسوم به «ثانيه‌ي قراردادي» يا فقط «ثانيه») تعريف مي‌شود (ايزو 1-31). اين كه زمان دقيقاً «چيست» و چگونه عمل مي‌كند از تعريف فوق حاصل مي‌شود. در كنار تعريف فعلي از فضا (بر اساس طول) اين تعريف از زمان موجب مي‌شود كه نسبيت خاص دقيقاً درست باشد. فيزيكدانان از نظريه براي پيش‌بيني طرز اندازه‌گيري زمان استفاده مي‌كنند. سپس مي‌توان زمان را به طور رياضي با كميت‌هاي بنيادي فضا و جرم تركيب كرد تا مفاهيمي مانند سرعت، گشتاور، انرژي و ميدان را به دست آورد.
هم نيوتن و هم گاليله مانند اغلب افراد تا قرن بيستم تصور مي‌كردند كه زمان براي همه در همه جا يكسان است. برداشت جديد ما از زمان بر نظريه‌ي نسبيت اينشتاين و جا-گاه هرمان مينكووسكي استوار است كه در آن آهنگ زمان در مكان‌هاي مختلف متفاوت است و فضا و زمان در جا-گاه در هم مي‌آميزند. زمان ممكن است كوانتيده باشد و كوچك‌ترين زمان نظري ممكن، زمان پلانك است. نظريه‌ي نسبيت عام اينشتاين و جابجايي قرمز نور كهكشان‌‌هاي دوردستي كه در حال دور شدن از ما هستند، نشان مي‌دهد كه كل عالم و احتمالاً خود جا-گاه در حدود 13.7 ميليارد سال قبل در مهبانگ آغاز شده است. آيا عالم به پايان مي‌رسد و چگونه؟، پرسش‌هايي است كه هنوز به آن‌ها جواب قطعي داده نشده است.

سفر زماني:
برخي از نظريه ها، و شايان ذكرتر از همه نسبيت خاص و عام، مي‌گويند كه هندسه‌هاي مناسب جا-گاه يا انواع معيني از حركت در فضا، ممكن است سفر زماني به گذشته و آينده را ممكن سازند. مفاهيمي كه چنين برداشتي را تقويت مي‌كنند شامل منحني زمان‌وار بسته مي‌شوند.
نظريه‌ي نسبيت خاص (و، با تعميم معني، نسبيت عامِ) اينشتاين، انبساط زماني‌اي را پيش‌بيني مي‌كند كه مي‌توان آن را سفر زماني تلقي كرد. نظريه مي‌گويد كه نسبت به ناظر ثابت، زمان ظاهراً كندتر حركت مي‌كند؛ با نزديك شدن ساعت به سرعت نور، به نظر مي‌رسد كه حركت عقربه‌هاي آن تقريباً متوقف مي‌شود. اثرات اين نوع انبساط زماني در پارادكس مشهور دوقلوها بيشتر مورد بحث قرار گرفته است.
نوع دوم و مشابه سفر زماني را نسبيت عام ممكن مي‌سازد. در اين نوع، ناظر دور مي‌بيند كه زمان ساعتي كه در انتهاي چاه گرانشي عميقي قرار گرفته كندتر مي‌گذرد و ساعتي كه در چاه زميني عميقي فرو برده و بالا آورده مي‌شود نشان مي‌دهد كه در مقايسه با ساعت ثابتي كه همراه ناظر دور بوده، زمان كم‌تري گذشته است.
اين اثرات تا حدي شبيه خواب زمستاني موجودات زنده است (كه سرعت فرآيندهاي شيميايي را در موجود پايين مي‌آورد) كه تقريباً به طرزي نامعين حيات خود را به حال تعليق در مي‌آورند و به اين ترتيب به «سفر زماني» به آينده مي‌روند اما هرگز به سفري به گذشته نمي‌روند. آن‌ها عليت را نقض نمي‌كنند. اين از نوع سفر زماني كه در داستان‌هاي علمي بيان مي‌شود نيست (كه در آن عليت به طور ارادي نقض مي‌شود)، و در مورد وجود آن هم چندان ترديدي نيست. از اين پس در اين مقاله مراد از «سفر زماني» سفري است به گذشته يا آينده‌ در زمان واقعي، با درجه‌اي از آزادي.
بسياري در جامعه‌ي علمي معتقدند كه سفر زماني به شدت نامحتمل است زيرا عليت، منطق زنجيره‌ي علت-معلول، را نقض مي‌كند. اگر تلاش كنيد به گذشته برويد و خود (يا پدربزرگ‌تان) را بكشيد چه روي مي‌دهد (كه در مورد قتل پدربزرگ به پارادكس پدربزرگ منتهي مي‌شود)؟ شواهد تجربي در مورد سفر زماني هم وجود ندارد. زماني استفن هاوكينگ گفت عدم حضور «جهانگرداني» از آينده برهاني است قوي بر عليه امكان سفر زماني- كه روايتي از پاراداكس فرمي (Fermi Paradox) است كه در آن مسافران زمان جاي مسافران سيارات بيگانه را گرفته‌اند.

فضا:
جا-گاه، بر اساس نسبيت عام، به وسيله‌ي جرم خميده مي‌شود كه موجب انبساط زمان مي‌گردد.
فضا يكي از چند كميت‌ بنيادي در فيزيك است يعني آن را نمي‌توان از طريق كميت‌هاي ديگر تعريف كرد زيرا در حال حاضر چيزي كه بنيادي‌تر از آن باشد شناخته نشده است. به اين ترتيب، مشابه كميت‌هاي بنيادي ديگر (نظير زمان و جرم) فضا نيز از طريق اندازه‌گيري تعريف مي‌شود. در حال حاضر، فاصله‌اي كه نور طي فاصله‌ي زماني 299792458/1 ثانيه (دقيقاً) در خلاٌ طي مي‌كند به عنوان فاصله‌ي استانده‌ي فضايي موسوم به متر استانده يا فقط متر تعريف مي‌شود. اين تعريف همراه با تعريف فعلي از زمان (بالا را ببينيد) جا-گاه ما را به فضاي مينكووسكي (Minkowski) تغيير مي‌دهد و موجب مي‌گردد كه نظريه‌ي نسبيت خاص طبق تعريف مطلقاً درست باشد.
در فيزيك كلاسيك، فضا، فضاي اقليدسي سه‌ بعدي است كه در آن هر وضعيتي را مي‌توان با استفاده از سه مختصه توصيف كرد. نظريه‌هاي نسبيت خاص و عام به جاي فضا از جا-گاه استفاده مي‌كنند؛ جا-گاه چونان فضايي چهار بعدي مدل‌سازي مي‌شود (كه در آن محور زمان در نسبيت خاص موهومي و در نسبيت عام حقيقي است؛ در حال حاضر نظريه‌هاي بسياري وجود دارد كه از فضاهاي بيش از چهار بعدي، اعم از حقيقي و مختلط، استفاده مي‌كنند).
قبل از كار اينشتاين روي فيزيك نسبيتي، زمان و فضا را ابعاد مستقلي مي‌دانستند. كار اينشتاين نشان داده است كه به دليل نسبيت حركت، فضا و زمان را مي‌توان به طور رياضي در جا-گاه متقارني تركيب كرد كه در آن محور زمان (ضرب در ic) از محورهاي فضا قابل تشخيص است. فواصل در فضا يا در زمان به طور جدا از هم در برابر تبديل مختصات لورنتز ناوردا (invariant) نيستند، اما فواصل در جا-گاه مينكووسكي ناوردا هستند.(امري كه نام جا-گاه را توجيه مي‌كند).

فلسفه‌ي مكانيك كوانتومي
مكانيك كوانتومي موجب بحث‌هاي زيادي در تفسيرهاي فيزيكي شده است. با توسعه‌ي مكانيك كوانتومي، نظريه‌هاي آن به تدريج در تناقض با بسياري از فلسفه‌هاي پذيرفته شده قرار گرفتند. اما، تمام پيش‌بيني‌هاي رياضي آن با مشاهدات انطباق دارد.
در اغلب موارد، فلسفه‌هاي پذيرفته شده بر تجربه‌ي روزمره‌ي انسان معمولي مبتني هستند- كه بسيار محدود است، زيرا شامل مشاهده‌ي سيستم‌هاي بسيار كوچك يا حركت در سرعت‌هاي بسيار زياد، يا آزمايش با انرژي‌هاي بالا، گرانش قوي و مانند آن‌ها نمي‌شود. هنگامي كه نوبت به توصيف يا تبيين رفتار بسياري از سيستم‌ها و اشياء در طبيعت مي‌رسد نمي‌توان بر «نظريه»هاي مبتني بر عقل سليم، «شهودها» يا «احساس‌ها» متكي بود.

تعين:
قرن هجدهم شاهد پيشرفت‌هاي زيادي در عرصه‌ي علم بود. پس از نيوتن، اغلب دانشمندان با اين پيش‌فرض موافق بودند كه عالم تحت حاكميت قوانين محكم (طبيعي) قرار دارد كه مي‌توان آن‌ها را با مشاهده و تجربه‌ي علمي كشف و صورت‌بندي كرد. اين موضع را تعين (يا جبر) مي‌نامند. هر چند تعين پيش‌فرض بنيادي فيزيك پسانيوتني بود، اما سريعاً فيلسوفان را با مسئله‌اي دشوار روبرو ساخت: اگر عالم و بنابراين كل جهان تحت حاكميت قوانين محكم و جهان‌شمول قرار دارد، معناي اين امر آن است كه آدميان نيز در اعمال خود تحت حاكميت قوانين طبيعي قرار دارند. به عبارت ديگر، معناي اين امر آن است كه چيزي به نام اختيار انساني وجود ندارد (به استثناي آن چه در همسازگرايي (compatibilism) تعريف مي‌شود). برعكس، اگر پذيرفته شود كه انسان‌ها داراي اختيار ( ِ اختيارگرايانه يا ناهمسازگرايانه) هستند، بايد بپذيريم كه جهان يكسره تحت حاكميت قوانين طبيعي نيست. برخي ادعا كرده‌اند كه اگر جهان يكسره تحت حاكميت قوانين طبيعي نباشد، كار علم ناممكن مي‌شود. اما ظهور مكانيك كوانتومي بديلي ديگر براي امكان‌هاي اكيداً محدودي كه در بالا به آن‌ها اشاره شد در اختيار متفكران قرار داد. باور به عالمي ممكن شد كه قوانين جهانشمول را دنبال مي‌كرد اما هرگز آينده‌اي از پيش تعيين‌شده نداشت.

اصل عدم قطعیت:
اصل نايقيني را معمولاً با سناريوي گربه‌ي شرودينگر بيان مي‌كنند كه در آن گربه‌اي همراه با مخزن گاز سمي [و ماده‌اي راديواكتيو] در جعبه‌اي قرار گرفته است؛ با واپاشي هر اتم راديواكتيو مخزن گاز باز مي‌شود. تا زمان باز شدن جعبه نمي‌توان حالت اتم راديواكتيو را مشاهده كرد؛ بر اساس يكي از تفسيرهاي مختلف در آن زمان گربه هم مرده است و هم زنده.
اصل نايقيني اصلي رياضي است كه از تعريف كوانتوم مكانيكي (quantum mechanical) عملگرهاي گشتاور و وضعيت (يعني عدم جابجاپذيري ميان آن‌ها) حاصل مي‌شود و رفتار عالم را در مقياس‌هاي اتمي و زيراتمي تبيين مي‌كند.
اصل نايقيني در پاسخ به اين پرسش مطرح شد: اگر الكترون موج است، موقعيت الكترون حول هسته چگونه اندازه‌گيري مي‌شود؟ هنگامي كه مكانيك كوانتومي توسعه يافت، آن را رابطه‌اي ميان توصيفات كلاسيكي و كوانتومي سيستم با استفاده از مكانيك موجي مي‌دانستند.
در مارس 1926 ورنر هايزنبرگ كه در انستيتوي نيلز بوهر كار مي‌كرد اصل نايقيني را صورت‌بندي كرد و به اين ترتيب آن چه را كه به نام تفسير كپنهاگي مكانيك كوانتومي شناخته شد، بنيان گذاشت. هايزنبرگ مقالات پل (Paul Dirac) ديراك و جردن (Jordan) را مطالعه مي‌كرد. هايزنبرگ مسئله‌اي را در اندازه‌گيري متغيرهاي بنيادي در معادلات كشف كرد. تحليل او نشان داد كه اگر كسي تلاش كند هم زمان وضعيت و گشتاور ذره‌اي را اندازه‌گيري كند هميشه نايقيني‌ها يا عدم دقت‌هايي وجود دارد. هايزنبرگ نتيجه گرفت كه اين نايقيني‌ها يا عدم دقت‌ها در اندازه‌گيري از جانب آزمايشگر نيست، بلكه خصلتي بنيادي دارد و ذاتيِ ويژگي‌هاي رياضي عملگرها در مكانيك كوانتومي است كه از تعريف اين عملگرها ناشي مي‌شود.
اغلب منتقداني كه به سرنوشت و تعين معتقد بودند و ويژگي‌هاي رايج نظريه‌هاي بوهر-هايزنبرگ را يك تهديد تلقي مي‌كردند اغلب از عبارت تفسير كپنهاگي مكانيك كوانتومي به جاي و به مثابه‌ي مترادفي براي اصل نايقيني هايزنبرگ استفاده مي‌كردند. در درون تفسير كپنهاگي مكانيك كوانتومي كه به طور وسيع اما نه عموماً پذيرفته شده (يعني اينشتاين يا فيزيكدانان ديگري مانند آلفرد لانده (Alfred Lande) آن را نپذيرفتند)، اصل نايقيني را به معناي آن مي‌گيرند كه در سطحي بنيادي، جهان فيزيكي نه به شكلي تعين‌گرايانه بلكه به صورت مجموعه‌اي از احتمالات وجود دارد؛ يا مثلاً الگوي توزيع احتمال را كه به وسيله‌ي ميليون‌ها فوتون ايجاد مي‌شود كه از ميان شكاف پراش (Diffraction slit) مي‌گذرند مي‌توان با استفاده از مكانيك كوانتومي محاسبه كرد، اما مسير دقيق هر فوتون را با هيچ روش شناخته شده‌اي نمي‌توان پيش‌بيني كرد. تفسير كپنهاگي بر آن است كه چنين مسيري را با هيچ روشي، حتي با اندازه‌گيري‌هايي كه از لحاظ نظري بي‌نهايت دقيق هستند، نمي‌توان پيش‌بيني كرد.
اگر كسي بيشتر به سوي تفسير مستقيم برود كه بر اساس آن فيزيك كلاسيكي و زبان عادي فقط تقريب‌هايي به واقعيت كاملاً كوانتومي هستند، آن گاه به اين تقريب‌ها احتمال‌هايي نسبت داده مي‌شود و ديگر بنيادي نيستند. معادلات مكانيك كوانتومي، خود، حالت كوانتومي هر سيستم منزوي را به طور يگانه مشخص مي‌سازند.

مكمليت:
انديشه‌ي مكمليت (complementarity) در مكانيك كوانتومي از اهميت اساسي برخوردار است. مكمليت حاكي از آن است كه نور مي‌تواند هم ذره‌اي و هم موجي باشد. هنگامي كه آزمايش دو شكاف انجام شد، نور در مواردي به مثابه‌ي موج و در برخي موارد مثل ذره عمل مي‌كرد. فيزيكدانان نظريه‌ي قانع‌كننده‌اي براي توضيح اين امر نداشتند تا نيلز بوهر و مكمليت از راه رسيدند. مكانيك كوانتومي اجازه مي‌دهد تا چيزهايي كه از نظر شهودي كاملاً متضاد يكديگر هستند بدون مشكل [با هم] وجود داشته باشند.

نظر اينشتاين درباره‌ي اهميت فلسفه‌ي فيزيك
اينشتاين به نتايج فلسفي كار خود بسيار علاقمند بود؛ دو نقل قول زير برخي از دلايل اين احساس وي را روشن مي‌سازند.
«من درباره‌ي اهميت و ارزش آموزشي روش‌شناسي و تاريخ و فلسفه‌ي علم كاملاً موافقم. امروزه افراد زيادي- و حتي بسياري از دانشمندان متخصص- به نظر من مانند كساني هستند كه هزاران درخت را ديده‌اند اما هرگز جنگل را نديده‌اند. آگاهي از زمينه‌ي تاريخي و فلسفي، به دانشمند آن نوع استقلال از پيشداوري‌هاي نسلي را مي‌دهد كه اغلب دانشمندان به آن دچارند. اين استقلال رأي كه با بصيرت فلسفي ايجاد مي‌شود- از نظر من- نشانه‌ي تمايز ميان صنعتگر يا متخصص صرف و جوينده‌ي راستين حقيقت است» نامه‌ي اينشتاين به رابرت ا. تورنتون Robert A. Thornton)، 7 دسامبر 1944؛ EA 61-574).
«چگونه مي‌شود كه دانشمند مستعد علوم طبيعي خود را به معرفت‌شناسي مشغول مي‌سازد؟ ايا كار ارزشمند ديگري در حوزه‌ي تخصص او وجود ندارد؟ من از بسياري از همكاران خود مي‌شنوم كه مي‌گويند چنين احساسي دارند و من اين امر را در بسياري ديگر احساس مي‌كنم. من نمي‌توانم در چنين حسي سهيم باشم ... مفاهيمي كه مفيد بودن‌شان در مسائل عادي اثبات شده است چنان اقتداري بر ما پيدا مي‌كنند كه ما مبادي زميني آن‌ها را فراموش مي‌كنيم و آن‌ها را به مثابه‌ي مفروضاتي تغييرناپذير مي‌پذيريم. به اين ترتيب، آن‌ها را «ضرورت‌هاي تفكر»، «مفروضات پيشيني» و مانند آن‌ها مي‌نامند.
چنين خطاهايي اغلب به مدتي طولاني مسير پيشرفت علمي را مسدود كرده‌اند. به همين دليل، اگر در تحليل مفاهيمي كه مدت‌ها معمول بوده‌اند و نمايش آن شرايطي كه وجاهت و فايده‌مندي آن‌ها به آن شرايط بستگي دارد و اين كه هر يك از آن‌ها چگونه از مفروضات تجربي سر مي‌زنند، تجربه پيدا كنيم اين تلاش به هيچ روي كاري بيهوده‌ نخواهد بود. با اين كار، اقتدار بسيار جدي آن‌ها از ميان خواهد رفت» (اينشتاين، 1916، «اعلاميه‌ي يادبود ارنست ماخ»، Physikalische Zeitschrift 17: 101-02).

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت سوم

برهم کنشهای ضعیف:

برهم کنشهای ضعیف، به رفتار الکترونها و همتای نوترینوی آنها مربوط می شوند. ذراتی که برهم کنش ضعیف دارند، به طور کلی «لپتون» نامیده می شوند. از همه ذراتی که در جهان وجود دارند، شاید نوترینو ها بیشتر از همه کنجکاوی انسان را برانگیخته باشند؛ زیرا از همه ذرات دیگر، گریزانترند. این ذره، بار الکتریکی و احتمالا جرم ندارد و آشکارسازی آن فوق العاده مشکل است. در سال 1930، ولفگانگ پائولی، به دلایل کاملا نظری، وجود این ذره را پیش بینی کرد تا بتواند از دست رفتن عجیب انرژی را در واپاشی رادیواکتیو توضیح دهد. پائولی نظر داد که این انرژی از دست رفته، به ذره جدیدی که در آزمایشها دیده نمی شود، انتقال یافته است. در سال 1933، فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی، اولین نظریه جامع این ذره را منتشر کرد. وجود نوترینو سرانجام در سال 1953 در آزمایشی دشوار که مستلزم بررسی تابش عظیم ناشی از یک راکتور هسته ای بود، تایید شد. پس از کشف نوترینو، مخترعان طی سالها سعی کردند که راهی برای استفاده عملی از نوترینو پیدا کنند؛ جالبترین طرحها؛ تلسکوپ نوترینو و بمب نوترینو بود.

علاوه بر نوترینو، معمای برهم کنشهای ضعیف با کشف ذرات برهم کنش کننده دیگر مانند «مئون» عمیقتر شد. در سال 1937، زمانی که این ذره در عکس های پرتوهای کیهانی کشف شد، مانند یک الکترون ولی دویست بار سنگینتر از آن نمایان شد که برای هر منظور و هر مقصودی می توانستیم آنرا همچون الکترون سنگینی به کار ببریم. این تحولات زمانی وخیم تر شد که در سال 1962، فیزیکدانان با استفاده از اتم شکن بروکهاون در لانگ آیلاند آمریکا نشان دادند که مئون نیز همتای مشخصی برای خود به نام نوترینوی مئونی دارد. آزمایشهای سال های 1977 و 1978 در دانشگاه استانفورد آمریکا و دانشگاه هامبورگ آلمان، وجود یک نوع الکترون دیگر را تایید کرد که وزن آن سه هزار و پانصد برابر جرم الکترون بود. این ذره «تاو» نامیده شد. اکنون سه نوع الکترون وجود داشت که هر یک نوترینوی خود را داشت و همه به استثنای جرمشان، از خانواده الکترون بودند. حال دیگر ایمان فیزیکدانان به ساده بودن طبیعت با موجودیت سه زوج خانواده لپتونها، متزلزل شده بود.

فیزیکدانان که با مسئله برهم کنشهای ضعیف مواجه شده بودند، روشی مشابه با نظریه الکترودینامیک کوانتومی برگزیدند. بر اساس مبانی الکترودینامیک کوانتومی، نیروی بین الکترونها با تبادل فوتونها توضیح داده می شود؛ بر پایه همان دلایل، فیزیکدانان حدس زدند نیروی بین الکترونها و نوترینوها با تبادل یک دسته از ذرات جدید که ذرات W نامگذاری شدند، به وجود می آید. با این وجود، مشکل این بود که این نظریه قابل بازبهنجارش نبود و بینهایتهای موجود در این نظریه، از ذرات واسطه W نشات می گرفت که برخلاف فوتونها در الکترودینامیک کوانتومی، تقارن پیمانه ای نداشتند.

در سال های 1967 و 1968؛ استیون واینبرگ، عبدالسلام و شلدون گلاشو، تشابه شگفت انگیزی بین فوتون و ذره W مشاهده کردند که به خلق نظریه جدیدی منجر شد که توانست اتحاد بین نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی را بر اساس یک تقارن جدید ریاضی برقرار کند؛ در این نظریه ذره W از عالیترین شکل تقارنهای پیمانه ای که در آن زمان موجود بود [SU(2)×U(1)] و از تئوری میدان یانگ میلز نشات گرفته بود؛ استفاده می کرد. این نظریه همچنین با الکترون و نوترینو، به صورت تقارنهای یک خانواده رفتار کرد، اما توضیحی برای اینکه چرا سه خانواده الکترون وجود دارند، ارائه نمی داد.

نهایتا پس از سه دهه، یک دانشجوی بیست و چهار ساله دوره کارشناسی ارشد به نام گراد، ت. هوفت توانست اثبات کند که نظریه یانگ میلز بازبهنجارش پذیر است. اما حتی هنوز نیز فیزیکدانان کاملا درک نکرده اند که تقارنهای موجود در نظریه یانگ میلز، چگونه بینهایتهای نظریه ذره W را حذف کرده اند. این رخداد، همانگونه که قبلا نیز توضیح داده شد، تاثیر متقابل تقارن و بازبهنجارش است.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت دوم

نظریه میدان کوانتومی:

از دهه 1930، فیزیکدانان خود را وقف حذف بینهایتهای نظریه میدان های کوانتومی کردند. این نظریه برای بازسازی مدلهای کوانتوم مکانیکی؛ سیستمهایی مهیا می کند که در فیزیک کلاسیک با میدانها یا سیستمهای بس ذره ای توصیف می شود. تصویر کلاسیکی از «همه چیز به شکل ذرات و میدانهاست» در نظریه میدان های کوانتومی به صورت «همه چیز ذره است» و یا در نهایت «همه چیز میدان است» در می آید. همچنین این نظریه که اولین اتحاد مکانیک کوانتومی و نسبیت شناخته می شود، در ابتدا دارای یک رشته نتایج بی معنا بود. به عنوان مثال؛ هر گاه فیزیکدانان سعی می کردند رویدادهایی را که در اثر برخورد الکترونهایی با سرعت بالا بوجود می آید، محاسبه کنند، استفاده از این نظریه، آنها را به مقادیر بینهایتی برای این برخورد مواجه می کرد! در سال 1949، فاینمن با استفاده از تقارنهای ریاضی که نقش بسیار مهمی در از بین بردن بینهایتها در نظریه میدان کوانتومی دارند؛ توانست اولین اتحاد موفقیت آمیز نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی را که به نظریه «الکترودینامیک کوانتومی» شهرت دارد؛ به وجود آورد و در سال 1965 جایزه نوبل فیزیک را به خود اختصاص دهد.

الکترودینامیک کوانتومی به طور موفقیت آمیزی توانست با حذف بینهایتهای موجود در نظریه میدان کوانتومی، برهمکنشهای فوتون و الکترون را بررسی کند. در راستای تحقق این نظریه، فاینمن شروع به پیش بینی عددی رویداد برخورد ذراتی مانند الکترون یا اتمها با یکدیگر کرد. فیزیکدانان موقعی که چنین برخوردی را تشریح می کنند، از عبارت ماتریس S استفاده می کنند. این ماتریس از تعدادی از اعداد تشکیل شده است که تمام اطلاعات مربوط به رویدادهای پس از برخورد را در بر می گیرد. این ماتریس به ما می گوید که چه تعداد از ذرات، در یک زاویه خاص پراکنده خواهند شد و چه مقدار انرژی خواهند داشت. محاسبه ماتریس S اهمیت فراوانی دارد؛ زیرا اگر ماتریس S کاملا شناسایی شود، از نظر اصولی، پیش بینی تقریبا همه خواص ماده امکان پذیر خواهد بود. در دهه 1940، فاینمن با اشکالی که رویدادهای برخورد الکترونها با یکدیگر را نشان می داد (نمودارهای فاینمن) توانست بینهایتهای موجود در نظریه را حذف کند. تعداد این نمودارها، بینهایت است که هر کدام یک عبارت ریاضی را مشخص می کنند و اگر آنها را با یکدیگر جمع کنیم، ماتریس S را بوجود می آورند.

راه حل فاینمن با وجود اینکه با عکس العمل های متضادی مواجه شد، کاملا جدید بود. الکترودینامیک کوانتومی، نظریه ایی دو پارامتری است: بار و جرم الکترون. علاوه بر نسبیت خاص، اکنون معادلات ماکسول تقارن دیگری به نام «تقارن پیمانه» ای را دارا می شد که به فاینمن اجازه می داد تا مجموعه بزرگی از نمودارها را مجددا گروه بندی کند. سرانجام او دریافت که می تواند به سادگی بار و جرم الکترون را به نحوی باز تعریف کند که بینهایتها جذب یا حذف شوند. (باز بهنجارش) از دیدگاه منتقدین؛ استفاده از یک دسته از بینهایتها (که از حلقه ها بر می خیزند) برای حذف یک دسته دیگر از بینهایتها (که از بار و جرم ناشی می شوند) به نظر نامعقول و صرفا یک ترفند به نظر می رسید. به نظر دیراک؛ نظریه بازبهنجارش برای اینکه نمایش یک جهش واقعی عمیق از درک ما از طبیعت باشد، ناهنجار بود. اما نتایج تجربی، قابل نفی نبود. در دهه 1950، نظریه جدید بازبهنجارش فاینمن به فیزیکدانان اجازه داد که با دقت غیر قابل باور، ترازهای انرژی اتم هیدروژن را محاسبه کنند. هیچ نظریه دیگری، به دقت حیرت انگیز محاسبه با الکترودینامیک کوانتومی حتی نزدیک نشد. با وجود اینکه این نظریه تنها برای الکترون و فوتون کاربرد دارد (نه برای نیروهای ضعیف و قوی)، موفقیت آن بدون شک چشمگیر بود. [این تاثیر متقابل بین تقارن و بازبهنجارش که همواره دیده می شود، یکی از اسرار بزرگ فیزیک است.]

با وجود موفقیتهای قواعد فاینمن در فیزیک، دهه های 1950 و 1960، دهه های ابهام انگیزی بودند که شاخص آنها نقطه های شروع پر از اشتباه بود. قواعد فاینمن برای بازبهنجارش برهم کنشهای قوی و ضعیف کافی نبودند. سرانجام پس از دو دهه آشفتگی، کشف غیر منتظره کلیدی در زمینه برهم کنش های ضعیف به عمل آمد.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت اول

ظهور مکانیک کوانتوم:

در اوایل قرن بیستم، دنیای علم با یک رشته آزمایشات که فیزیک نیوتنی سیصد ساله را مورد سوال قرار می دادند، دچار آشفتگی شد. دنیا شاهد حمله سخت و ناگهانی فیزیک جدیدی شد که از خاکستر نظام قدیمی بر می خاست. از این وضعیت آشفته؛ نه تنها یک، بلکه دو نظریه پیدا شد. اینشتین پیشگام اولین نظریه، یعنی نسبیت عام بود و کوششهای خود را در درک ماهیت نیروهایی مانند گرانش و نور متمرکز کرد. اما پایه های درک ماهیت ماده، با نظریه دوم؛ یعنی مکانیک کوانتومی ریخته شد که بر دنیای پدیده های زیراتمی حاکم شد. این نظریه به وسیله هایزنبرگ و همکارانش آفریده شد.

نظریه کوانتومی در 1900، زمانی بوجود آمد که فیزیکدانان از چیزی که آن را «تابش جسم سیاه» می نامیدند، گیج شده بودند. به عنوان مثال، آنها قادر نبودند توضیح دهند که چرا یک میله فولادی، اگر به دماهای بالا برسد می درخشد و ابتدا از شدت گرما قرمز و بعد سفید می شود. یا چرا رنگ مواد مذابی که از دهانه آتشفشان غلیان می کند، قرمز است. با فرض اینکه نور یک پدیده کاملا موجی است و می تواند با هر بسآمد نوسان کند، آنها متوجه شدند که نظریاتی که تا آن زمان مورد قبول بودند، نمی توانستند قرمز و سفید شدن را در اثر گرما، پیش بینی کنند. در واقع، این نظریه ها پیش بینی می کردند که با بسآمدهای بالا، میزان انرژی تابش باید به بینهایت میل کند، چیزی که غیر ممکن می نمود. در دسامبر 1900، ماکس پلانک، فیزیکدان آلمانی، راه حلی برای این مسئله دشوار پیدا کرد. او در آن زمان استاد دانشگاه برلین بود که بعضی از دقیقترین آزمایشات مربوط به تابش جسم سیاه در آنجا انجام گرفته است. زمانی که پلانک نتایج کار خود را به انجمن فیزیک برلین ارائه کرد، فوق العاده متواضع بود، زیرا تنها از بخشی از نتایجی که این نظریه می رفت داشته باشد، آگاه بود. او پیشنهاد کرد که تابش، آن طور که فیزیکدانان تصور می کردند، یک پدیده کاملا موجی نیست؛ بلکه انتقال انرژی، در بسته های معین صورت می گیرد. جامعه فیزیکدانها با بدبینی نسبت به اندیشه جدید پلانک و نتیجه منطقی آن که نور یک پدیده پیوسته نیست بلکه از دانه هایی تشکیل شده است، واکنش نشان دادند. طرح اینکه نور را می توان به «کوانتـا» هایی که مانند ذرات هستند، تبدیل کرد، به نظر نامعقول می آمد.

پنج سال بعد، اینشتین که هنوز یک فیزیکدان ناشناخته بود، نظریه کوانتوم را با آفرینش پدیده فوتو الکتریک، به مرحله قاطعی رسانید. با استفاده از نظریه کوانتای پلانک، اینشتین سوال کرد که اگر یک ذره از نور به فلز برخورد کند، چه روی خواهد داد؟ اگر نور ذره ای باشد که از نظریه پلانک پیروی کند، در این صورت باید الکترونها را از بعضی از اتمهایی که در فلز وجود دارد، بیرون راند و الکتریسیته تولید کند. اینشتین با استفاده از ثابت پلانک، انرژی الکترون پرتاب شده را محاسبه نمود. آزمایش معادلات پلانک و اینشتین، برای فیزیکدانان تجربی زیاد طول نکشید. پلانک جایزه نوبل فیزیک را در 1918 برای نظریه کوانتوم به دست آورد و در پی آن، جایزه نوبل فیزیک سال 1921 به اینشتین، برای پدیده فوتوالکتریک اهدا شد.

در طول هزاران سال، این طور تصور می شد که ذرات و امواج، هستیهای جداگانه ای هستند. اما در آستانه قرن بیستم، این جدایی مردود شناخته شد. نه تنها پلانک و اینشتین نشان دادند که نور به طور روشن، مشخصه هایی شبیه به ذره دارد، بلکه آزمایش با الکترونها نشان داد که ذرات نیز مشخصه های شبیه موج از خود بروز می دهند. در 1923، یک شاهزاده جوان فرانسوی و دانشجوی فیزیک به نام لویی دوبروی روابط اساسی را یک «ماده موج» باید از آن پیروی کند، بیان کرد. او اعلام کرد که الکترون باید مانند امواج نور، بسآمد و طول موج معینی داشته باشد. سه سال بعد، اروین شرودینگر معادله کاملی را نوشت که این امواج باید از آن پیروی کنند. تقریبا در همان زمان، شکل دیگر ولی معادلی توسط هایزنبرگ برای این معادله پیشنهاد شد. با این نوآوریهـا، نظریه کوانتومی قدیمی پلانک، اینشتین و بور؛ جای خود را به مکانیک کوانتومی نورسیده شرودینگر و هایزنبرگ داد.

در سال 1927؛ هایزنبرگ مطرح کرد که شناخت همزمان سرعت و مکان یک جسم غیر ممکن است. یک موج، در نهایت جسمی است که مکان آن مشخص نیست. به عقیده هایزنبرگ، این عدم قطعیت از آنجا ناشی می شود که در قلمرو زیراتمی، نفس عمل مشاهده یک جسم، مکان و سرعت آن را تغییر می دهد. به عبارت دیگر، فرآیند اندازه گیری هر دستگاه اتمی، دستگاه را چنان دگرگون می کند که دستگاه از حالتی که قبلا داشته است، خارج می شود. به عنوان مثال، الکترون آن قدر کوچک است که برای اندازه گیری مکان آن در یک اتم، باید فوتون های نور به آن برخورد کرده، بازتاب نمایند. اما نور آن قدر قوی است که الکترون را از اتم بیرون می راند. در نتیجه مکان و سرعت نور تغییر می کند. با این وجود ممکن است استدلال کرد که آیا نمی توان با یک دستگاه اندازه گیری دقیقتر، مکان و سرعت الکترون را بدون آنکه وضعیت آن تغییر کند، اندازه گرفت؟ به نظر هایزنبرگ، پاسخ این سوال منفی است. مکانیک کوانتومی روی این موضوع تکیه می کند که هر قدر هم ما دستگاه های اندازه گیری خود را حساستر کنیم، هرگز نخواهیم توانست سرعت و مکان دقیق یک الکترون را، همزمان اندازه بگیریم. ما می توانیم یکی از این دو کمیت را اندازه گیری کنیم ولی نمی توانیم هر دو را همزمان بدانیم. این واقعیت، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نام گرفته است.

طبق نظر هایزنبرگ، جبر نیوتنی که برگرفته از فلسفه نیوتنی است و اعلام می دارد که سه قانون حرکت نیوتن می توانند حرکت دقیق تمام ذرات در جهان را با ریاضی مشخص کنند، بی معنی است. اصل عدم قطعیت پیش بینی رفتار هر یک از اتمها را غیر ممکن می سازد. به علاوه در قلمرو زیراتمی، تنها احتمالات را می توان محاسبه کرد. به عنوان مثال، چون شناخت مکان و سرعت دقیق الکترون امکان پذیر نیست، نمی توان در مورد رفتار الکترون هیچ گونه پیش بینی انجام داد. اما می توان با دقت شگفت انگیزی، احتمال رفتار خاص تعداد زیادی از الکترونها را پیش بینی کرد.

با وجود اینکه دانشمندان هرگز شاهد نقض قواعد مکانیک کوانتومی در آزمایشگاه نبوده اند، این نظریه پیوسته «درک عمومی» را زیر پا می گذارد. مفاهیم مکانیک کوانتومی، آن قدر ساده هستند که اروین شرودینگر در سال 1925 آزمایش فکری زیرکانه ای تدوین کرد که معمای گربه شرودینگر نامیده می شود. تصور کنیم که یک گربه در جعبه ای محبوس شده و شیشه ای محتوی گاز سمی در کنار گربه قرار دارد. ما اجازه نداریم که در جعبه را باز کنیم و نمی توانیم به داخل جعبه نگاه کنیم. اما می توانیم با اطمینان بگویم که گربه یا زنده است یا مرده. حالا تصور کنیم که شیشه محتوی گاز سمی، به یک شمارشگر گایگر متصل است که می تواند تابش یک تکه سنگ اورانیوم را آشکارسازی کند. اگر فقط یک هسته اورانیوم واپاشی کند، تابشی گسیل می دارد که عقربه آشکارساز گایگر را به حرکت در می آورد. این حرکت شیشه گاز سمی را می شکند و گربه کشته می شود.

طبق نظریه مکانیک کوانتومی، ما هیچ گاه نمی توانیم با اطمینان، زمان واپاشی یک هسته تنهای اورانیوم را پیش بینی کنیم. فقط می توانیم احتمال واپاشی میلیاردها هسته را حساب کنیم. بنابراین برای تشریح یک هسته تنهای اورانیوم، مکانیک کوانتومی فرض می کند وضعیت این هسته، مخلوطی از دو حالت است: یکی آنکه دست نخورده مانده و دیگر آنکه هسته واپاشی کرده است. گربه، بوسیله یک تابع موجی تشریح می شود که هر دو امکان، یعنی زنده بودن یا مردن گربه را شامل می شود. به عبارت دیگر، ما باید از نظر آماری فرض کنیم که گربه در مخلوطی از این دو حالتها قرار دارد. البته به محض اینکه به ما اجازه داده شود که در جعبه را باز کنیم، می توانیم با اطمینان تشخیص دهیم که گربه زنده است یا مرده. اما قبل از باز کردن در جعبه، بر پایه احتمالات و از نظر آماری، گربه در هیچ یک از حالتهای مرده یا زنده نیست. شگفت آورتر از این واقعیت آنکه همان باز کردن در جعبه، تصمیم می گیرد که گربه زنده یا مرده است. از نظر مکانیک کوانتومی، نفس فرآیند اندازه گیری، وضعیت گربه را مشخص می کند. موضوع از آن نظر پیچیده تر می شود که طبق یکی از نتایج مکانیک کوانتومی، اجسام در یک حالت مشخص وجود ندارند، مگر آن که مشاهده شوند.

در دهه های 1930 و 1940، مکانیک کوانتومی با اشتیاق فراوان رو به رو شد و شاید بیش از 99% فیزیکدانان سراسر جهان در این اشتیاق سهیم بودند. اقلیت کوچکی از دانشمندان که فیزیکدان برنده جایزه نوبل اوژن ویگنر جزو آنان بود، عقیده داشتند که اندازه گیری، مستلزم نوعی خودآگاهی است. آنها استدلال می کردند که تنها یک وجود خودآگاه می تواند یک اندازه گیری انجام دهد. بنابراین؛ از دیگاه این اقلیت، چون بر طبق مکانیک کوانتومی وجود هر ماده به اندازه گیری بستگی دارد، وجود جهان نیز به خودآگاهی وابسته است. با وجود این، اکثریت عظیم فیزیکدانان بر این باور عملی تکیه می کنند که اندازه گیری می تواند در واقع بدون خودآگاهی انجام پذیرد. بنابر عقیده این گروه؛ اندازه گیری می تواند بدون یک مشاهده کننده خودآگاه انجام شود و مشاهده مستلزم خودآگاهی نیست. [بیشتر فیزیکدانان، معمای شرودینگر را به این طریق حل می کنند که تفاوتی بین اشیا میکروسکوپیک، به عنوان مخلوطهای عجیبی از حالتهای اتمی و اشیا ماکروسکوپیک قائل می شوند. راه حل استاندارد این معما بر پایه این فرض است که یک تفاوت اساسی بین رویدادهای میکروسکوپیک (برخورد دو اتم) و رویدادهای ماکروسکوپیک (پخش شدن دود سیگار در اتاق) آن است که رویدادهای میکروسکوپیک، برگشت ناپذیر هستند. به عنوان مثال؛ اگر ما فیلمی از برخورد دو اتم را تماشا کنیم، اگر فیلم را در یک جهت یا جهت معکوس نشان دهیم، این رویداد عادی به نظر خواهد آمد. بنابراین، در رویداد میکروسکوپیک، زمان می تواند به عقب یا جلو برود. اما در سطح ماکروسکوپیک، کشیدن سیگار تنها در حالتی که دود از دهان به بیرون می رود قابل درک است نه هنگامی که دود سیگار به درون دهان می رود. به عبارت دیگر، در رویداد میکروسکوپیک، برخورد دو اتم برگشت پذیر است اما در رویداد ماکروسکوپیک، پخش دود سیگار، تنها در جهت پیکان زمان قابل درک است. بنابراین رویدادهای ماکروسکوپیک، پیکان زمان را در جهتی که بی نظمی را افزایش می دهد، تعیین می کنند. فیزیکدانان می گویند که آنتروپی رویدادهای ماکروسکوپیک، جهت زمان را تعیین می کند و همچنین موجب ایجاد تفاوت بین رویدادهای برگشت پذیر ماکروسکوپیک و رویدادهای برگشت ناپذیر میکروسکوپیک می شود. جنبه اساسی یک مشاهده آن است که برگشت ناپذیر است. بنابراین، انتقال اطلاعات، افزایش آنتروپی را به دنبال دارد. خودآگاهی، جنبه اساسی یک مشاهده نیست. جنبه کلیدی مشاهده؛ انتقال اطلاعات است که برگشت ناپذیری زمان را ایجاب می کند.]

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

فلسفه و علم

فلسفه چیست؟
در حقیقت، هیچ گاه نمی توان گفت فلسفه چیست؛ یعنی هیچ گاه نمی توان گفت: فلسفه این است و جز این نیست ، زیرا فلسفه، آزاد ترین نوع فعالیت آدمی است و نمی توان آن را محدود به امری خاص كرد. عمر فلسفه به اندازه عمر انسان بر روی زمین است و در طول تاریخ تغییرات فراوانی كرده و هر زمان به گونه ای متفاوت با دیگر دوره ها بوده است.برای این مطلب كافی است به تعاریف مختلفی كه از آن شده نگاهی بیندازید .


واژه شناسی "فلسفه"
واژه فلسفهphilosophy یا فیلوسوفیا كه كلمه ای یونانی است، از دو بخش تشكیل شده است:
فیلو به معنی دوستداری و سوفیا به معنی دانایی.
اولین كسی كه این كلمه را به كار برد فیثاغورس بود ، وقتی از او سئوال كردند كه: آیا تو فرد دانایی هستی؟ جواب داد:نه، اما دوستدار دانایی ، فیلوسوفر ، هستم.
بنابراین فلسفه از اولین روز پیدایش به معنی عشق ورزیدن به دانایی، تفكر و فرزانگی بوده است. تعریف فلسفه فلسفه تفكر است. تفكر درباره كلی ترین و اساسی ترین موضوعاتی كه در جهان و در زندگی با آن ها روبه رو هستیم. فلسفه وقتی پدیدار می شود كه سوالهایی بنیادین درباره خود و جهان می پرسیم. سوالاتی مانند:زیبائی چیست؟ قبل از تولد كجا بوده ایم؟ حقیقت زمان چیست؟
آیا عالم هدفی دارد؟ اگر زندگی معنایی دارد، چگونه آن را بفهمیم؟
آیا ممكن است كه چیزی باشد و علتی نداشته باشد؟ ما جهان را واقعیت می دانیم، اما واقعیت به چه معناست؟سرنوشت انسان به دست خود اوست و یا از بیرون تعیین می شود؟
چنانچه در این سئوالات می بینیم، پرسش ها و مسائل فلسفی از سنخ امور خاصی هستند و در هیچ علمی به این چنین موضوعات، پرداخته نمی شود.مثلا هیچ علمی نمی تواند به این سئوال كه واقعیت یا حقیقت چیست؟ و یا این كه عدالت چیست؟ پاسخ گوید. این امر به دلیل ویژگی خاص این مسائل است.
یك ویژگی عمده موضوعات فلسفی، ابدی و همیشگی بودنشان است.
همیشه وجود داشته و همیشه وجود خواهند داشت و در هر دوره ای، بر حسب شرایط آن عصر و پیشرفت علوم مختلف، پاسخ های جدیدی به این مسائل ارائه می گردد.
فلسفه مطالعه واقعیت است، اما نه آن جنبه ای از واقعیت كه علوم گوناگون بدان پرداخته اند.
به عنوان نمونه، علم فیزیك درباره اجسام مادی از آن جنبه كه حركت و سكون دارند و علم زیست شناسی درباره موجودات از آن حیث كه حیات دارند، به پژوهش و بررسی می پردازد.
ولی در فلسفه كلی ترین امری كه بتوان با آن سر و كار داشت، یعنی وجود موضوع تفكر قرار می گیرد؛ به عبارت دیگر، در فلسفه، اصل وجود به طور مطلق و فارغ از هر گونه قید و شرطی مطرح می گردد. به همین دلیل ارسطو در تعریف فلسفه می گوید:''فلسفه علم به احوال موجودات است ، از آن حیث كه وجود دارند.یكی از معانی فلسفه، اطلاق آن به استعداد های عقلی و فكریی است كه انسان را قادر می سازد تا اشیا، حوادث و امور مختلف را از دیدگاهی بالا و گسترده مورد مطالعه قرار دهد و به این ترتیب، حوادث روزگار را با اعتماد و اطمینان و آرامش بپذیرد.فلسفه در این معنا مترادف حكمت است. فلسفه در پی دستیابی به بنیادی ترین حقایق عالم است. چنانكه ابن سینا آن را این گونه تعریف می كند:
فلسفه، آگاهی بر حقایق تمام اشیا است به قدری كه برای انسان ممكن است.
فلسفه همواره از روزهای آغازین حیات خود، علمی مقدس و فرا بشری تلقی می شد و آن را علمی الهی می دانستند. این طرز نظر، حتی در میان فلاسفه مسیحی و اسلامی رواج داشت؛ چنانكه جرجانی می گوید:فلسفه عبارت است از شبیه شدن به خدا به اندازه توان انسان و برای تحصیل سعادت ابدی. همان طور كه گفته شد، اساسا فلسفه از اولین روز پیدایش، به معنی عشق به دانایی و خرد و فرزانگی بوده و به علمی اطلاق می شد كه در جستجوی دستیابی به حقایق جهان و عمل كردن به آنچه بهتر است،یعنی زندگانی درست بود. فلسفه در آغاز حیات خود شامل تمام علوم بود و این ویژگی را قرن ها حفظ كرد؛ چنانكه یك فیلسوف را جامع همه دانش ها می دانستند. اما به تدریج دانشها و علوم مختلف از آن جدا گشتند.در قدیم، این فلسفه كه جامع تمام دانشها بود، بر دو قسم بود:
فلسفه نظری و فلسفه عملی.
فلسفه نظری به علم الهیات، ریاضیات و طیبعیات تقسیم می گشت كه به ترتیب، علم اعلی، علم وسط و علم اسفلپایین تر نامیده می شد. فلسفه عملی نیز از سه قسمت تشكیل می شد: اخلاق، تدبیر منزل و سیاست مد ر ن اولی در رابطه با تدبیر امور شخصی انسان بود. دومی در رابطه با تدبیر امور خانواده و سومی تدبیر امور مملكت بود.


فلسفه و علم
كلمه علم به دو معنی به كار می رود:
یكی به معنی دانش و معرفت. به این معنا اخلاق، دین، تاریخ، سیاست، و حتی هر گونه شناخت و آگاهی، علم محسوب می شود. چنان كه گاهی می گوییم: من به فلان اتفاق علم دارم.یعنی از آن اتفاق خبر دارم.معنای دیگر علم، دانش و معرفت خاصی است كه یا از طریق عقل حاصل می شود مانند ریاضیات، و یا از طریق تجربه و آزمایش مانند فیزیك و شیمی و روان شناسی و جامعه شناسی. مقصود ما از علم در این جا، معنای دوم علم است. هر علمی، مجموعه ای است از مسائل مرتبط با موضوع آن علم كه حول آن موضوع سازمان یافته اند. مثلا، علم فیزیك، مجموعه مسائل و قوانینی است كه حول موضوع آن، یعنی پدیده های طبیعی و روابط حاكم بر آن ها، سازمان یافته اند: همه علوم؛ چه عقلی و چه تجربی، اصول و قواعدی دارند كه در میان همه آن ها مشترك است.برای نمونه، همه علوم، به امور كلی مربوطند؛ یعنی در پی كشف قوانینی هستند كه در همه حال صادق باشد. مثلا هندسه راجع به همه مثلث ها به طور كلی بحث می كند و مثلث خاصی مورد نظر آن نیست. و یا فیزیك می كوشد قوانین جاذبه را كشف نماید؛ چرا كه میخواهد به چیزی دست یابد كه در همه حال صادق باشد و در هیچ شرایطی تغییر نكند. به همین ترتیب، در شیمی گفته می شود كه همه آب ها در شرایط معین، در دمای صد درجه به جوش می آیند و این یك قانون همیشگی است. اساسا اگر علمی چنین نباشد، علم محسوب نمی گردد. البته میان علوم عقلی با علوم تجربی تفاوت های زیادی وجود دارد.علوم عقلی با انتزاع عقلانی پدید می آیند. عقل، جنبه ای خاص از عالم خارج را انتزاع می كند و آن را موضوع قرار داده و سپس درباره آن بحث كرده و آن را گسترش می دهد.مثلا، ریاضیات، علمی است كه درباره مفهوم عدد صحبت می كند. خود این مفهوم، حاصل انتزاع عقل از عالم خارج است. ما در عالم خارج، چیزی به نام عدد نداریم، بلكه پس از مشاهده چیز های مختلف، و با تلاش فكری به این مفهوم دست می یابیم. اما علوم تجربی، به بررسی پدیدار ها می پردازند و در پی كشف قوانین حاكم بر این پدیدارها هستند. البته آن ها نیز از اصول عقلی پیروی می كنند، اما فعالیت این علوم، عقلی محض نیست؛ آن ها بر اساس مبادی و قواعد عقلی به آزمایش و مشاهده عالم خارج می پردازند؛ در حالی كه علوم عقلی، هم اصولشان عقلی است و هم آنچه در باره آن تحقیق می كنند.
                                    فلسفه، تفكر محض درباره جهان و چیستی امور است.

استقراگرائی پوپر می گوید:
راه درس گرفتن از تجربه، انجام مشاهدات مكرر نیست. سهم تكرار مشاهدات در قیاس باسهم اندیشه هیچ است. بیشتر آنچه كه می آموزیم با كمك مغز است. چشم و گوش نیز اهمیت دارند، ولی اهمیتشان بیشتر در اندیشه های غلطی است كه مغز یا عقل پیش می نهند. بر همین اساس، با استقراءگرایان مخالفت ورزیده و استقراء را اسطوره‌ای بی بنیاد معرفی كرده است. پوپر با بیان این مطلب كه نظریات همواره مقدم بر مشاهدات هستند طرح نوینی را در عرصه روش شناسی علوم تجربی بنیان نهاد. طبق نظر وی روش صحیح علمی عبارت است از آنكه یك نظریه به نحو مستمر در معرض ابطال قرار داده شود. بنابراین یك نظریه برای آنكه قابل قبول باشد باید بتواند از بوته آزمونهایی كه برای ابطال آن طراحی شده‌اند، سر بلند بیرون بیاید. پوپر مصرانه ندا سر می دهد كه بگذارید نظریه ها بجای انسانها بمیرند . پوپر با ارائه ی نظریه ی ابطال پذیری تلاش كرد مرز بین نظریه های علمی و غیر علمی را مشخص كند. وی چنین بیان می كند.
علمی بودن هر دستگاه، در گرو اثبات پذیری به تمام معنای آن نیست، بلكه منوط به این است كه ساختمان منطقیش چنان باشد كه رد آن به كمك آزمونهای تجربی میسر باشد.
به عبارت دیگر از دیدگاه پوپر نظریه های علمی اثبات پذیر نیستند، بلكه ابطال پذیرند . پوپر با این دیدگاه به مخالفت با تلقی‌های رایج از علم پرداخت و بیان كرد كه علم و نظریه‌های علمی هیچگاه از سطح حدس فراتر نمی‌روند و آنچه كه منتهی به پیشرفت علم می‌شود سلسله‌ای از حدسها و ابطالها می‌باشد. پوپر تاكید می كند برای رسیدن به اندیشه های نو ، هیچ دستور منطقی نمی توان تجویز كرد.
اندیشمندان بسیاری چون برونو و گالیله با مشكلات و مصایب طاقت فرسایی دسته و پنجه نرم كردند تا روش استقرایی در جهان علم نهادینه گردد، اما در قرن بیستم روش استقرایی جاذبه دوران رنسانس خود را از دست داد.
هرچند استقرا نفی نشد، اما فیلسوفان علمی قرن بیستم، در تكاپو بودند تا روش های بهتری را جایگزین آن كنند. و این سیر منطقی تكامل اندیشه در طول تاریخ حیات انسان است. در فلسفه ی علم قرن بیستم، دو دیدگاه از بقیه دیدگاه ها بیشتر مورد توجه واقع شد. یكی دیدگاه ابطال پذیری پوپر بود و دیگری نظریه انقلاب های علمی كوهن. كوهن به یك چرخش تاریخی تكیه می كند و معتقد می شود كه علم یك سیستم پویاست و به جای معرفت شناسی علم به جامعه شناسی علم توجه می كند. وی نشان داد كه علم تكامل تدریجى به سمت حقیقت ندارد بلكه دستخوش انقلاب هاى دوره اى است كه او آن را تغییر پارادایم مى نامد. پارادایم یكى از مفاهیم كلیدى كوهن است.او معتقد است پارادایم (نظام) یك علم تا مدت هاى مدید تغییر نمى كند و دانشمندان در چارچوب مفهومى آن سرگرم كار خویش هستند. اما دیر یا زود بحرانى پیش مى آید كه پارادایم را درهم مى شكند و انقلاب علمى به وجود مى آید كه پس از مدتى، پارادایم جدیدى به وجود مى آید و دوره اى جدید از علم آغاز مى شود. مثال هاى كلاسیك تغییر پارادایم عبارتند از: 1- كار گالیله كه باعث برانداختن فیزیك ارسطویى و ایجاد نسبیت گالیله اى شد 2- كار كپلر كه باعث كشف بیضوى بودن مدار سیارات شد 3- ابداع فیزیك جدید توسط نیوتن 4- نسبیت عام و خاص انیشتن 5- مكانیك جدید كوانتوم كه باعث كنار گذاشتن مكانیك كلاسیك شد. كوهن در تحلیل خود از مثال جایگزینى تئورى نسبیت اینشتین بجاى تئورى مكانیك نیوتون كه در پى بحران ناشى از آزمایشات مربوط به نور مایكلسون- مورلى بوجود آمده سود جسته است.
اگر نظریه انقلاب های علمی كوهن را باور داشته باشیم، از توجه به این نكته نیز نباید غافل شد كه زیر بنای هر انقلابی را اندیشه های نو شكل می دهد، آنگاه باید با پوپر همصدا شد كه برای رسیدن به اندشه های نو، هیچ دستور منطقی نمی توان تجویز كرد. انقلاب نسبیت در اندیشه های انیشتن بارور شد و انقلاب مكانیك كوانتوم از اندیشه های پلانك سر در آورد.