فکر نیوتونی فیزیک و وحدت نیروها

[infrequent]

شاید بتوان در یک تعریف، فیزیک را کشف قوانین حاکم بر طبیعت بی‌جان و بیان آن به زبان ریاضی دانست. قید بی‌جان جنبه‌هایی از هستی که متافیزیک یا فوق طبیعت نامیده می‌شوند را منها می‌کند، جنبه‌هایی که صراحتاً با قوانین طبیعی فیزیک به منازعه برمی‌خیزند بدون این‌که فیزیکدان علت آن را بداند یا لااقل با علم بر این‌که علت آنها فیزیکی و مادی نیست. چنین تعریفی برای فیزیک، حتی اگر دقیقاً به همین صورت هم پذیرفته نشده باشد، جذابیت ویژه‌ای برای دانشمندان کنجکاو یا کنجکاوان دانشمند برای جذب شدن به فیزیک داشته است. این جاذبه از ابتدای تمدن بشری وجود داشته است و به همین لحاظ در قدیم که دامنه‌ی علوم مختلف تا این حد گسترده نبود و یک دانشمند می‌توانست به همه‌ی علوم زمان خود تا حد قابل توجهی احاطه داشته باشد همه‌ی علوم تحت عنوان فیزیک ارائه می‌شدند. اما به تدریج که دامنه‌ی علم و فن‌آوری گسترده و بسیار گسترده شد از این بدنه‌ی اصلیِ علم انشعاباتی به وجود آمد و رشد کرد و بزرگ شد آن‌چنان‌که بعضاً از خودِ تنه‌ی اصلی نیز ستبرتر گردید. اُمَهات اصول ریاضی طبیعت اما برای خودِ این تنه‌ی اصلی، یعنی فیزیک، باقی ماند. این امهات شامل فکر و خطوط اصلی اندیشه‌ی منطقی علم نیز می‌شد که از جمله‌ی آن است تلاش برای دستیابی به دیدی واحد از کل طبیعت، به دست آوردنِ قوانین اصلی و جامع، وحدت نیروها و شاید چند مورد دیگر منجمله لزوم سادگی و زیبایی علم.
شاخه‌های مختلف فیزیک در طی سده‌ها و حتی هزاره‌ها پیشرفت‌های شگرفی کردند و فیزیکدانانِ پیش‌گام که همواره در پیِ اصلی‌ترین‌ها بوده‌اند و جاده باز کنِ اصلیِ جنبه‌های مختلف علم بوده‌اند اکنون سعی دارند به مدد فکر و عمل، تئوری و آزمایش، و پیشرفت‌های تکنولوژیک حاصل تا جایی که امکان دارد به دنیای ریز وارد شوند و آن را و قوانین حاکم بر آن را کشف نمایند. به همین لحاظ است که در این عصر، شاخه‌ی ذرات بنیادی فیزیک و شتاب ذرات به وسیله‌ی شتاب دهنده‌ها از پرطرفدارترین و پرشورترین شاخه‌های علم فیزیک محسوب می‌شود. فیزیکدان می‌داند که همه‌ی بی‌نهایت بزرگ‌ها از بی‌نهایت کوچک‌ها ساخته شده‌اند، پس تلاش دارد هرچه ممکن است این بی‌نهایت کوچک‌ها را بیشتر و بیشتر شناسایی کند.
نمی‌توان از فیزیک صحبت کرد و نام نیوتون را بر زبان نیاورد. منظور از یادآوری نام او در واقع یادآوریِ اندیشه و روش فیزیکی‌ای است که با کارها و اندیشه‌های او در فیزیک، بر این علم سایه افکن شد. کار بزرگ نیوتون کشف و بیان ریاضی منطق حاکم بر طبیعتِ فیزیکی بود. او با کشف و فورموله کردن قانون جاذبه، نیرویی اساسی و فراگیر در طبیعت را شناسایی کرد که بر تمام اجزای طبیعت از کوچک‌ترین‌ها تا بزرگ‌ترین‌ها حاکم است. به این ترتیب خمیر مایه‌ای برای وحدت طبیعت یافت و به خوبی آن را پرداخت. او در این کار، زمین و اجزای ریز آن را با منظومه‌ی شمسی و کهکشان‌ها پیوند زد و نشان داد که قانون جاذبه در همه‌ی آنها ساری است. تلاشِ بزرگِ دیگر او مطالعه‌ی عمیق و دقیق و روشن در آموزه‌های قبلی در مبحث حرکت می‌باشد که سپس به‌گونه‌ای عالمانه و هوشمندانه آنها را دسته بندی و در قوانین حرکتی خود خلاصه کرد. قوانین حرکتی که او در این رابطه به جهان علم و فیزیک عرضه داشت مشابهت کاملی داشت با کاری که در مورد جاذبه کرد، با این قوانین، او فصل مشترک قوانین حاکم بر اجزای طبیعت را کشف کرده بود. قوانین حرکت او نیز، هم بر کوچک‌ها و هم بر بزرگ‌ها در همه جا ساری بود. آن فکر بزرگ و وحدت نگری که در نیوتون چنین توفیقاتی را به بار آورد در حساب دیفرانسیل و انتگرال که خود او وضع کرد نمود بارزی داشت. گویا این حساب آینه‌ای از فکر فیزیکی او بود، تلاشی در جهت وحدت دادن همه چیز، همه‌ی کوچک‌های دیفرانسیلی، تحت قوانین منطقی و ریاضی (انتگرال) برای رسیدن به نتیجه‌های روشن و بدون ابهام. روشنی و عدم ابهامِ استدلال‌ها و استنتاجاتِ نیوتون یکی از دلایل اصلی ماندگاری تفکر نیوتونی در طول این سیصد واندی سال که از ظهور او می‌گذرد بوده است. همین روشنی و عدم ابهام است که حتی کسانی که امروز، در پرتو پیشرفت‌های فیزیک نوین، سعی دارند به نیوتون نیاندیشند را نمی‌تواند از تحسین نیوتون بازدارد هرچند احتمالاً سعی کنند با جبری خواندن فکر نیوتون آن را به نوعی کم‌رنگ نمایند.
هنگامی که اینشتین در اوایل قرن بیستم میلادی نظریه‌ی نسبیت خود را اعلام کرد بسیاری عجولانه سعی داشتند این‌گونه القا کنند که نظریه‌ی او خط بطلانی بر فکر نیوتونی در فیزیک است، اما به زودی معلوم شد تصحیحی که نظریه‌ی نسبیت عمومی در نظریه‌ی گرانش نیوتون انجام می‌دهد بسیار بسیار جزئی است، و در محدوده‌ی سرعت‌های کم و فواصل زیاد، قانون جاذبه‌ی عمومی نیوتون هم‌چنان حاکم مطلق فیزیک است. هنگامی که در سال 1968 میلادی خلبان امریکایی سفینه‌ی فضایی از فضا وارد زمین می‌شد احساس خود را به خوبی چنین بیان کرد که اکنون آیزاک نیوتون است که پیشاپیش همه‌ی ما هدایت سفینه را به عهده دارد. همگان به خوبی می‌دانستند که قانون جاذبه‌ی عمومی نیوتون است که بر مبنای آن سفینه‌ها به فضا و به ماه فرستاده می‌شوند و سیارات به گرد خورشید می‌چرخند و ما بر زمین استوار می‌مانیم. البته این همه به این معنا نیست که نیوتون جاذبه را اختراع کرده است بلکه به این معناست که او مهم‌ترین چیزها را زودتر از همه کشف کرد و به منطقی‌ترین صورت ممکن ارائه داد، چیزی که باید الگوی فیزیک در تمام اعصار باشد.
فکر ریاضی و منطقی حاکم بر فیزیک نیوتونی، حالتی جبری به آن می‌دهد، حالتی که فیزیکدان یا هر کس دیگری تکلیف خود را با او می‌داند و در مواجهه با آن سردرگم نمی‌شود. در قرن بیستم اما این فکر جبری درگیری شگرفی با انقلابی‌ترین نظریه در جهان فیزیک، نظریه‌ی کوانتمی، پیدا کرد. مکانیک کوانتمی طبیعت را از دریچه‌ی دیگری می‌نگریست که عمدتاً از منظر ذرات اتمی و زیر اتمی و هسته‌ای و ذرات بنیادی بود. فیزیک کوانتومی وسیله‌ای است برای درک این جهانِ ذرات بسیار کوچک. در این مکانیک، امکان توصیف ذرات در موقعیت‌ها و سرعت‌های محدود و معین وجود ندارد و این خلاف فکر نیوتونی فیزیک است. توصیف کوانتمی در این زمینه حالتی مبهم دارد و به زبان احتمالات بیان می‌شود. این ایده‌های کوانتمی در تقابل با فکر نیوتونی فیزیک که از آن به جبری بودن تعبیر می‌شود نوعی انعطاف را به فیزیک کوانتمی منسوب می‌کند، انعطافی که جبری نیست و تا حدودی در اختیار آزمایش کننده و آزمایش شونده است. با گسترش این دید، نیوتون هم‌چون جباری کیهانی در مقابله با این انعطاف ظریف کوانتمی به نظر می‌آمد. اما باز چیزی نگذشت که معلوم شد دید کوانتمی نیز جبرگرایانه است و با دانستن یک حالت کوانتمی در لحظه‌ای مشخص برای یک ساختار معین ماده، حالت ماده در لحظه‌ی بعد دقیقاً محاسبه می‌شود و تخطی از آن جایز نیست.
پس در واقع این مکانیک کوانتمی نبود که به مقابله با مکانیک نیوتونی برمی‌خاست. برای بسیاری از نوگرایانِ فیزیک، نوعی احساس ایجاد شده بود که گویی باید حتماً چیزی در فیزیک باشد که به مقابله با این فکر استوار چند صد ساله برخیزد. در یکی از تلاش‌ها برای یافتن این چیز، سعی گردید موضوع بی‌نظمی، که اکنون شاخه‌ی پیش‌رفته‌ای در فیزیک محسوب می‌شود، به مقابله با این فکر فرستاده شود. در تئوری بی‌نظمی، نوعی نهادینگی و اصل بودن برای مسئله‌ی بی‌نظمی در کلیه‌ی مظاهر طبیعت و در تمام علوم در نظر گرفته می‌شود. در این تئوری، قوانین شسته رفته و روشنی مثل قوانین نیوتون در جاذبه و حرکت، حالت‌های ویژه و پایدار شده‌ای از بی‌نظمی جهان شمول تلقی می‌شوند. این‌که می‌بینیم سیارات، چنین منظم به گرد خورشید می‌گردند به این خاطر است که در فرایند بی‌نظمی‌های قبلی، گردنده‌های نامنظم از منظومه طرد شده‌اند و اکنون پایدارترین حالت که همینی است که شاهد آنیم باقی مانده است. این تئوری از بی‌نظمی به عنوان خمیر مایه‌ی اصلی طبیعت استقبال می‌کند در حالی که فکر نیوتونی فیزیک سعی می‌کند بی‌نظمی‌های مشهود را بر مبنای قوانین بنیادیِ تثبیت شده توجیه کند. به نظر می‌رسد وجود پیشرفت‌های بسیار زیاد فیزیکی که دانشمندان نظریه پرداز را غافل‌گیر کرده است باعث شده است بسیاری از فیزیکدانان قبل از سعی در جمع و جور کردن خود بر مبنای فکر نیوتونی فیزیک، مجذوب تئوری بی‌نظمی گردند. این نظریه بر مبنای ریاضی، گسترش قابل توجهی در شاخه‌های مختلف علم مثل زیست شناسی و شیمی و حتی علوم انسانی مثل جامعه شناسی و اقتصاد یافته است. فکر نیوتونی فیزیکی اما فرصت می‌خواهد تا با استفاده از اصول و ابزاری مانند نظریه‌ی اختلال به توجیه بی‌نظمی‌های فراوان موجود بپردازد.
نیوتون آگاه بود که علاوه بر گرانش، نیروهای دیگری نیز در طبیعت، دست اندرکارند و می‌دانست که او آنها را نمی‌شناسد، اما امیدوار بود با همان دید روشنی که به کشف جاذبه پرداخت بتواند آن نیروها را نیز شناسایی کند. او در مقدمه‌ی کتاب اصول خود نوشت اعتقاد دارم ما قادریم بقیه‌ی پدیده‌های طبیعت را از طریق همان استدلالاتی که در اصول مکانیکی به کار گرفتیم استنتاج کنیم، زیرا به دلایل زیادی احساس می‌کنم تمام پدیده‌های طبیعت از قوانین مربوط به نیروهای واحد تبعیت می‌کنند. او این نیروها را نمی‌شناخت و ده‌ها سال طول کشید تا مجدداً بشر به سراغ بحث وحدت نیروها بیاید. در سال 1918 اینشتین اعلام کرد وظیفه‌ی هر فیزیکدان دستیابی به قوانین بنیادی جهان است به گونه‌ای که ما را قادر سازد با استنتاجی ساده از آن قوانین، به نظام هستی پی ببریم. گویا این همان آرزوی نیوتون بود. در مسیر این وحدت نیروهاست که تلاش عمده‌ی فیزیکدانان امروز آنچنان‌که در ابتدا گفتیم متمرکز شده است. سعی بر این است که نیروهای حاکم بر طبیعت دقیقاً شناسایی و فورموله‌بندی شوند. در مورد یکی از این نیروها، گرانش، بیشترین کار را نیوتون انجام داد. اما اکنون با نیروهای دیگری نیز مواجه هستیم که یکی از آنها نیروی ضعیف الکترونی (و نیروی هسته‌ای ضعیف) نام دارد که عامل ایجاد الکتریسیته و مغناطیس است. دیگری نیروی قوی هسته‌ای است که کوارک‌ها را در دل ذراتِ داخلِ هسته کنار یک‌دیگر نگاه می‌دارد. نظریات مربوط به این نیروها دارای مضامین ریاضی هستد که انتظار این است که آزمایش‌های تجربی، به ویژه با پیشرفت شتاب دهنده‌های ذرات، آنان را تأیید کنند. کیفیت این نظریات حالتی جبری و تحمیلی دارند و بیشتر از این که سعی در تطبیق خود با قوانین موجود داشته باشند سعی در ارائه‌ی قوانین برای توجیه تجربیات فراوان مشهود دارند. در این میان، گرانش حالتی استثناگونه دارد که اکنون به صورت نسبیت عام اینشتین در دست است و برای ابعاد زیاد و سرعت‌های پایین به نظریه‌ی جاذبه‌ی نیوتون تبدیل می‌شود. اما نظریه‌ی گرانش در فواصل بسیار اندک و انرژی‌های بالا معنای خود را از دست می‌دهد. در واقع اگر قانون عکس مجذور نیوتون قرار بود در مکانیسم عمل دو ذره‌ی بنیادیِ مجاورِ هم عمل کند نیرویی بی‌نهایت را به بار می‌آورد در حالی که عملاً چنین نیست.
سعی فیزیکدانان نظری بر این است که بتوانند نظریه‌ای ارائه دهند که نیروهای فوق الذکر در آن نظریه وحدت پیدا کنند یا به عبارتی این نیروها استنتاجاتی از آن نظریه‌ی واحد باشند. در این مسیر اکنون روی نظریه‌ی اَبَرریسمان تلاش فراوانی صورت می‌گیرد، نظریه‌ای که می‌کوشد کوانتاهای مربوط به نیروهای مختلف را به صورت حالت‌های مختلفی از لرزش ریسمان‌های کوچکی که شکل دهنده‌های بنیادی طبیعتند ببیند. زمانی نیوتون گرانش را به صورت قانون عکس مجذور فاصله بیان داشت و زمانی دیگر اینشتین با نظریه‌ی عمومی نسبیت خود گرانش را تنها به صورت حالتی حدی از انحنای فضا ارائه داد و اکنون نظریه‌ی ابرریسمان بر آن است که اصولاً چراییِ وجود گرانش را توضیح دهد.
و در پایان مناسب است نگاهی به نقل قول یکی از فیزیکدانان معاصر در این رابطه بیاندازیم: «این نظریات تحت آزمون تجربی قرار نگرفته‌اند و ما نومیدانه در این آرزو به سر می‌بریم که جامعه‌ی بشری تلاش دانشمندان فیزیک هسته‌ای را ارج نهد تا آنان بتوانند اندیشه‌های فرضیه‌ای امروز را عینیت بخشند زیرا تنها راه برای این کار ساخت شتاب دهنده‌های بزرگ است.» به این ترتیب گرچه هنوز نظریه‌ی جامع و کاملی در مورد وحدت نیروهای طبیعت تدوین و نهایی و آزمایش نشده است اما تلاش‌های فیزیکدانان بزرگی معطوف به این مسئله است، فیزیکدانانی که روح چنین تحقیقاتی را مدیون فیزیکدانان متقدم و به ویژه نیوتون هستند.


نویسنده: حمید وثیق زاده انصاری
منبع