مقالات فیزیک

ماهيت اساساً بدون جبريت مکانيک کوانتوم بر اصل عدم حتميت يا رابطه عدم حتميت ،که اولين بار در سال 1927 به وسيله ورنر هايزنبرگ تدوين شد، متکی است. اين اصل به طور خلاصه می گويدکميت های فيزيک کوانتوم به جفت هايی تقسيم می شوندکه کميت های«مزدوج» نام دارند و اصولاً نمی توان در آن واحد با دقت زياد يک يک اعضای هر جفت را اندازه گرفت.فرض كنيد دو كميت مزدوج را اندازه گيري كرده ايم اصل عدم حتميت مي گويد كه اصولاً ممكن نيست كه هر دو را با دقت خيلي زياد اندازه گرفت. البته در عمل خطاي اندازه گيري از اين نوع معمولاً بسيار بزرگتر از حداقلی است كه اصل عدم حتميت از آن صحبت مي كند. نكتة اصلی كه عوابقش نيز بسيار مهمند اين است كه اين خطاي اندازه گيري جزء قوانين اساسي نظريه كوانتوم است. محدوديتهاي قيد شده در اصل عدم حتميت را نبايد به معناي ناقص بودن دستگاه هاي اندازه گيري تلقي كرد و استنتاج نمود كه اين محدوديت با پيشرفت فنون اندازه گيری تقليل مي يابد. اين اصل قانون مهمی است كه تا زمانی كه قوانين نظريه كوانتوم به شكل كنونيشان پابرجا هستند، صادق خواهد بود.اين بدان معناست نيست كه قوانين تغيير نخواهند كرد يا اصل عدم حتميت را هرگز نمی توان رد كرد. ولي در نهاد اساسی فيزيك معاصر يك تغيير انقلابی بايد رخ دهد، تا اين اصل را به كنار گذاريم. بعضي از فيزيكدانها(از جمله اينشتين) معتقد بودند اين مشخصه فيزيك كوانتوم مورد ترديد است و امكان دارد زماني به كنار گذاشته شود. اما اين قدمي است بنيادي و در حال حاضر هيچ كس نمي تواند چگونگي حذف اين اصل را به درستي نشان دهد. تفاوت مهم بين نظرية كوانتوم و فيزيك كلاسيك كه به اين اصل مربوط مي شود، در مفهوم شرايط لحظه اي يك دستگاه فيزيكي نهفته است.

در مكانيك كوانتوم هر يك از حالات دستگاه را مي توان توسط تابع خاصي، كه آن را«تابع موج» مي ناميم، نشان داد. اين تابع مقادير عددی به نقاط يك فضا منسوب مي دارد.(ولی اين به طور كلي فضاي آشنای سه بعدی ما نيست، بلكه فضای مجردی است با ابعاد بالاتر.) اگر مقادير يك مجموعه كامل كميتهای حالتی براي زمان t داده شده باشد، تابع موجی دستگاه براي زمانt به طور منحصر به فردی تعيين مي شود. اين توابع موجی اگر چه هر يك به مجموعه اي از كميت هايی متكی است كه از نظر فيزيك كلاسيك ناكاملند، در مكانيك كوانتوم نقشي شبيه شرح حالت در مكانيك كلاسيك بازی مي كنند. تحت شرايط انزوا امكان دارد براساس تابع موجی داده شده در t تابع موجي در T را تعيين كرد. اين كار به كمك معادلة معروف «ديفرانسيل شرودينگر» انجام می شود.اين معادله شكل رياضی يك قانون جبری را دارد و تابع موجی كامل را براي زمانT مي دهد. بنابراين اگر تابع موجی را به عنوان نمايش كامل حالت آنی بپذيريم، به اين نتيجه خواهيم رسيد كه حداقل در سطح نظری، جبريت در فيزيك كوانتوم حفظ مي شود.وقتي برخی از فلاسفه از قبيل«ارنست ناگل» و فيزيكدانهايی مانند«هنری مارگنو» مي گويند كه هنوز در قوانين مربوط به حالات دستگاه های فيزيكی، جبريت موجود است و صرفاً تعريف«حالت يك دستگاه» عوض شده، نمي توان با آنها مخالفتی كرد، چون در واقع درست مي گويند. اما لغت«صرفاً» مي تواند گمراه كننده باشد چون اين توهم را به وجود مي آورد كه تغيير تعريف صرفاً پاسخ ديگري است به اين سؤال كه: «كميتهای شاخص حالت يك دستگاه كدامند؟» در واقع اين تغيير بسيار اساسي تر است. فيزيكدانهاي كلاسيك مطمئن بودند كه با پيشرفت تحقيق، قوانين، دقيق تر و دقيق تر مي شوند و حدی براي اين تدقيق در پيش بينی رخدادهاي مشاهده شدني وجود ندارد. در مقايسه، نظريه كوانتوم حد غير قابل عبوری را بنيان مي گذارد. به همين دليل اگر بگوييم كه نهاد علّی - نهاد قوانين- در فيزيك مدرن اساساً متفاوت است با نهادش از زمان نيوتن تا پايان قرن نوزدهم، خطر گمراهي را كمتر كرده ايم، به اين ترتيب جبريت به مفهوم كلاسيكي آن طرد مي شود.فهم اين امر آسان است كه چرا پذيرفتن اين تصوير جديد بنيادي از قانون فيزيكي براي فيزيك دانها از نظر روانی مشكل بود. خود پلانك كه طبيعتاً متفكر محافظه كاري بود، وقتي برای اولين بار فهميد كه دفع و جذب تشعشع ، روندی متداوم نيست، بلكه به صورت واحدهای غيرقابل تقسيم صورت نی گيرد، اندوهگين شد. اين گسستگی آنقدر با روح فيزيك سنتی مخالف بود كه برای بسياری از فيزيك دانها از جمله پلانك بسيار مشكل بود خود را به شيوة تفكر جديد عادت دهند.

خصلت انقلابي اصل عدم حتميت هايزنبرگ موجب شد كه برخي از فلاسفه و فيزيك دانها پيشنهاد كنند كه تغييرات اساسيدر زبان فيزيك به عمل آيد. خود فيزيكدانان به ندرت از زبانی كه به كار می برند صحبت مي كنند. اين نوع صحبتها را تنها از زبان آن عده قليلی از فيزيكدانانی كه فيزيك خوانده اند، مي شنويم. اين عده از خود مي پرسند:«آيا لازم است زبان فيزيك را طوری ترميم كنيم كه خود را با روابط عدم حتميت وفق دهد؟ و اين ترميم چگونه انجام مي گيرد؟»افراطي ترين پيشنهادات برای اين ترميم به تغييری در شكل منطقِ به كار رفته در فيزيك مربوط مي شود. «فيليپ فرانك» و «موريس شليك» متفقاً اين نظريه را ارائه دادند كه تحت بعضی از شرايط، تركيب دو گزاره با معنی در فيزيك ممكن است بي معني باشد. پيشنهاد مشابهی توسط«گرت بيركهوف» و «جان فون نويمان» كه هر دو رياضيدان بودند ارائه شد كه پيشنهاد كردند بايد تغييرات لازم در«دستورات تبديل» داده شوند نه دستورات سازنده. و فيزيكدانها بايد يكی از قوانين توزيع پذيری در منطق گزاره ها را به كنار گذارند.پيشنهاد سوم از جانب«هانس رايشنباخ» داده شد كه معتقد بود منطق دو ارزشي سنتی را بايد به نفع منطق سه ارزشی كنار گذاشت. در اين منطق هر دو گزاره می تواند سه مقدار ممكن بپذيرد: T(راست)، F(دروغ)، I(نامتعيّن). بجاي قانون كلاسيك نفي ثالث- كه يك گزاره يا راست يا دروغ و شقّ سومي موجود نيست- قانون نفي رابع را داريم. گزاره ها يا راستند يا دروغ و يا نامتعيّن، شقّ چهارمي موجود نيست.رايشنباخ براي اينكه سه ارزش خود را در فيزيك جاي دهد لازم ديد رابطه هاي منطقی متداول را به كمك جدولهاي ارزش، كه بسيار بغرنج تر از نهايی هستند كه براي تعريف رابطهای دو ارزشي متداول به كار مي روند، دوباره تعريف كند. به علاوه وی مجبور شد رابطهای جديدی را وضع كند. در اينجا نيز اگر لازم باشد منطق را اين طور براي زبان فيزيك بغرنج كنيم، اين كار قابل قبول است، اما در حال حاضر لزومي براي اين جهش بنيادی نيست.البته بايد ديد تكامل آتی فيزيك چگونه است. متأسفانه فيزيكدانها به ندرت نظريه هايشان را به شكلي كه مطلوب منتقدان است عرضه مي كنند. اينها نمی گويند:«اين زبان من است، اينها واژه های اوليه هستند، دستورات سازنده من اين و اصول موضوعي منطقی من نيز آنانند.»مشخص كردن اصول موضوعی تمام حوزه فيزيك به شكلی مدون كه منطق را نيز در بر گيرد بسيار سودمند است. اگر اين كار صورت می گرفت، آسانتر مي شد ديد كه آيا دلايل خوبي برای عوض كردن مباني منطقی فيزيك وجود دارد يا نه.

در اينجا روی مسائل عميق مربوط به زبان فيزی، كه هنوز حل نشده اند، انگشت مي گذاريم. اين زبان به استثنای بخش رياضيش هنوز عمدتاً زباني است طبيعی؛ يعني دستوراتش به طور ضمنی در عمل آموخته می شود و به ندرت به طور صريح فرموله مي شود. البته تاكنون هزاران واژه و عبارت جديد كه مخصوص زبان فيزيك هستند اتخاذ شده اند و در موارد كمي دستورات خاصي براي به كار بردن بعضي از اين واژه ها و علايم فنی شده اند. دقت و كارآيی كلي زبان فيزيك مانند زبانهای علوم ديگر تدريجاً افزون تر شده است. اين گرايش يقيناً ادامه پيدا خواهد كرد، ولی در حال حاضر تكامل مكانيك كوانتوم هنوز به صورت تدقيق زبان فيزيك منعكس نشده است.مشكل بتوان پيش بينی كرد كه زبان فيزيك چگونه تغيير خواهد كرد اما با يقين می توان گفت كه دو گرايش كه در نيم قرن گذشته منجر به اصلاحات بزرگي در زبان رياضيات شده اند، در تدقيق و روشن ساختن زبان فيزيك نيز به همان اندازه سودمند خواهد بود، يكی به كار گرفتن منطق نوين و نظريه مجموعه ها و ديگري اتحاذ روش اصل موضوعی به شكل مدرنش مي باشد كه متضمن يك دستگاه زبان فرمال شده است. در فيزيك امروزه كه در آن نه فقط محتوی نظريه ها بلكه تمامی نهادِ ادراكي فيزيك نيز مورد بحثند اين هر دو ارزش كمك بزرگی است.

اين مسئله جالبی است كه همكاری نزديك فيزيكدانها و منطقدانان را جلب مي كند. به كار گرفتن منطق و روش اصل موضوعی در فيزيك نه تنها بين خود فيزيك دانها و همچنين بين فيزيكدانها و دانشمندان ديگر را بهبود مي بخشد، بلكه وظيفه خطير ديگري نيز دارد و آن تسهيل در كار ساختن مفاهيم جديد و فرمولبندی فرضيات نو است. در سالهاي اخير مقدار زيادي نتايج آزمايشي نو جمع آوری شده كه خيلي از آنها مديون بهبود يافتن دستگاه هاي آزمايش، از قبيل اتم شكنهای بزرگ است. براساس اين نتايج مكانيك كوانتوم پيشرفت عظيمي كرده است. متأسفانه كوشش برای نوسازی اين نظريه به شيوه ای كه همه اين داده ها را در خود جاي دهد موفقيت آميز نبوده است و در جريان امر معماهای اعجاب انگيز و گيج كننده ظاهر شده اند. حل اين معماها بسيار مبرم ولی شاق است. اين فرض معقولی است كه به كار بردن ابزار ادراكی جديد مي تواند كمك بزرگي به كار حل اين معضلات كند.بعضي از فيزيكدانها معتقدند كه احتمال زيادی وجود دارد كه در آينده نزديك در اين زمينه انقلابی صورت گيرد. اگر رهبران سياستمدار جهان از به كار بردن حماقت نهايی جنگ هسته ای دوری جويند و به بشر اجازه بقا دهند، دير يا زود علم يقيناً به پيشرفت چشمگيرش ادامه داده و ما را به بصيرت ژرف تری از ساختار جهان نائل خواهد كرد.