در جست وجوی پاسخ پرسش های دشوار

یکی از مهمترین ویژگی های علم این است که پاسخ هر پرسشی به وجودآورنده پرسش های بسیار دیگر است. شاید همین عامل باعث زایندگی و بی پایان بودن علم است. در اینجا نگاهی داریم به چند پرسش بنیادین که هنوز پاسخ نهایی آن یافت نشده است.
● کارکرد جهان چگونه است
ما هم اکنون به جایی رسیده ایم که بدون حل کردن برخی از پرسش ها و مسائل فیزیک، نمی توانیم در مورد حقایق و پدیده های به راستی جالب و شگفت انگیز دیگر فیزیکی، اطلاعات بیشتری کسب کنیم. برای درک مفاهیمی مثل خاستگاه جهان، سرنوشت نهایی سیاهچاله ها یا امکان سفر در زمان، لازم است که بدانیم کارکرد جهان چگونه است.
هم اکنون یک ایده خوب در مورد واحد های احتمالی سازنده ماده در ذهن داریم. علم فیزیک در قرن بیستم بر پایه دو انقلاب مکانیک کوانتومی (تئوری ماهیت جسم) و نظریه معروف اینشتین در مورد فضا، زمان و گرانش (معروف به نسبیت) بنا شده است. اما وقتی به دو تعریف نهایی از واقعیت دست پیدا می کنیم، ولی تنها یک واقعیت را می بینیم، راضی کننده نیست. تلاش برای یگانه سازی این دو نظریه، موانع فنی و مفهومی دشواری را بر سر راه بهترین نظریه پردازان فیزیک در طول دهه های گذشته قرار داده و آنان را به چالش کشیده است. برای مثال از آنجایی که گرانش، خود را به شکل عامل ایجاد واپیچش در فضای چهاربعدی زمان-مکان نشان می دهند، به کارگیری نظریه کوانتومی در مورد گرانش مشکل ساز می شود. از یک جهت، این موضوع به معنای آن است که به کار گیری اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در مورد فرضیه های موجود در مورد فضا- زمان مشکل ساز خواهد بود. اما ممکن است این تردیدها، یک معنای دیگر هم داشته باشد که به معنای وجود یک مشکل در رویکرد ما نسبت به قضیه است. شاید ما نباید مفهوم گرانش را به تنهایی بررسی کنیم. بیشتر تلاش ها برای یگانه سازی نظریه های موجود، به تلفیق گرانش با نیروهای دیگر و همچنین دیگر ذره های ریز اتمی و ایجاد یک ساختار نظری مربوط می شود. این ایده یی است که برخی از فیزیکدان ها آن را «نظریه همه چیز» می خوانند.
نظریه جدیدی که در حال حاضر مطرح می شود، نظریه «ابر تار» است. این نظریه ذره های کوچک شبه نقطه یی را بررسی می کند. دیدگاه دیگری که وجود دارد و به تئوری «ام» (M) مشهور است، هنوز کمی پیچیده تر و مبهم تر به نظر می رسد. این نظریه رویه یی را در نظر می گیرد که در ابعاد وسیع تر فضا حرکت می کند. اما مرحله و روند پیشرفت در این نظریه را در بهترین حالت، هنگامی می توان بهتر دریافت که بدانیم که هیچ کس به درستی نمی داند وجود حرف «M» در نظریه « ام»، دقیقاً به چه معنا است و چه واژه یی را تداعی می کند. هنوز راه درازی در پیش است...
● آیا «ضدگرانش » اینشتین به راستی اشتباه بود
اینشتین، ضدگرانش را بزرگ ترین اشتباه خود می شمارد. اما شاید هم او با اضافه کردن ضدگرانش با نام عبارت کیهان شناسی به فرضیه نسبیت خود کار درستی انجام داده است. این شرط اضافه در فرضیه نسبیت، به فضا یک خاصیت دافعه یی نسبت می دهد، به این معنا که فضا خودش را دفع می کند، به این معنا که فضا گسترده تر می شود و این روند افزایش و گسترش هر چه سریع تر ادامه می یابد. اینشتین این عامل را اضافه کرد، چرا که تصور می شود جهان هستی ثابت است و بی حرکت. در نتیجه نیاز بود تا نیرویی وجود داشته باشد و قدرت جاذبه جهان را موازنه و متعادل کند تا مواد موجود در جهان، در خود فرو نریزد (رمبش نکند). اما در دهه ۱۹۲۰، «ادوین هابل» کشف کرد که کیهان در حال گسترش است. در نتیجه اینشتین نیز «ثابت کیهان شناختی» را پس گرفت،
اما به نظر می رسد این ایده را نباید کنار گذاشت. نظریه کوانتومی میدان ها، پیش بینی می کند که حتی فضاهای خالی نیز انباشته از انرژی است که اثرهای گرانشی آن با نیروهای ضدگرانشی اینشتین همخوانی کامل دارد. با این نظریه نمی توان به درستی دریافت که شدت نیروی دافعه چقدر است، اما می توان مقدار تقریبی آن را برآورد کرد.
تقریباً ۱۰ سال پیش، اخترشناسان متوجه شدند که سرعت گسترش جهان در حال افزایش است و در نتیجه مقدار تجربی را به آن نسبت دادند. فیزیکدان ها و اخترشناسان در عین ناباوری و سرگردانی دریافتند، قدرت این نیرو ۱۰به توان ۱۲۰ بار از مقدار پیش بینی شده قبلی کوچک تر است.
این نتیجه عجیب است. اگر تعادل برقرار شده میان جاذبه و دافعه، برابر با صفر بود، یکی از قوانین عمیق و مهم طبیعت در موردش صدق می کرد اما یک عدد غیرصفر را که در مقایسه با این نظریه تا این اندازه کوچک است، دشوار بتوان تعبیر کرد.
اوضاع وقتی وخیم تر می شود که بدانیم کیهان شناسان به ایده یی علاقه مند هستند که نیروی دافعه بسیار قوی و بزرگی در اولین مرحله تفکیک پس از انفجار بزرگ یا Big Bang را مطرح می کند، چرا که این نظریه با سناریوی جذاب و محبوب مربوط به تورم جهان هماهنگ است. طبق این نظریه، حجم جهان پس از تولد و شکل گیری، تحت تاثیر یک نیروی ضدگرانش شدید به شدت افزایش یافت.
در نتیجه اگر بخواهیم دلیل و برهانی بر این افزایش حجم سریع و روزافزون بیابیم، به نظریه یی نیاز داریم که توضیح دهد چرا ضدجاذبه در ابتدا بسیار قوی و شدید بود، سپس با شتاب و سرعت کاهش مقدار پیدا کرد و سپس به حوالی صفر رسید. یک احتمال این است که نیرو بر اثر گذشت زمان، محو می شود. احتمال دیگر می تواند این باشد که نیرو در بخش های مختلف فضا تغییر می کند و در نتیجه ممکن است در ورای قدرت دید دوربین ها و تلسکوپ های ما، بسیار بزرگ تر از آنچه اینجا است، باشد. اگر این گونه باشد، هر جسمی در آن منطقه، با سرعت در کهکشان ها و ستاره های دیگر پخش و متلاشی می شود و در نتیجه اصلاً هیچ ناظری نمی تواند حضور داشته باشد تا این نیرو را اندازه بگیرد. آنچه که ما نیاز داریم، نظریه یی است که قدرت نیروی ضدجاذبه را به صورت بخشی از تفسیر کامل همه نیروهای موجود در طبیعت برای ما تعریف کند. متاسفانه به نظر نمی رسد که نظریه های موجود مثل نظریه ابرتار یا نظریه «ام»، این میزان خاص را مشخص کند و مقدار کم آن همچنان ناشناخته و اسرارآمیز خواهد بود. در نتیجه باید دوباره به پرسش یک رجوع کنیم،
● چرا ما در سه بعد زندگی می کنیم
آیا اینکه فضای اطراف ما سه بعد دارد، اتفاقی است یا باید برایش دنبال یک تعبیر عمیق تر بود؟ بعضی از نظریه پردازان معتقدند که فضای به وجود آمده بر اثر انفجار بزرگ، تنها به صورت اتفاقی از سه بعد تشکیل شده است و ممکن است قسمت های دیگری از جهان هستی وجود داشته باشند که ابعادشان متفاوت باشد.
مثلاً هیچ دلیل منطقی نمی توان یافت که چرا مثلاً جهان فقط دو بعد ندارد. چندصد سال پیش، ادوین آبوت اثری به نام «سطح آباد» (flat land) نوشت که در آن جهانی دوبعدی را تصویر کرد. جهانی که در آن اجسام و موجودات حیات خود را تنها روی «سطح» ادامه می دادند. اما فیزیک جهان دوبعدی با فیزیک جهان ما بسیار متفاوت خواهد بود. برای مثال در فضای دو بعدی، امواج به شکل انتشار در فضای سه بعدی، پخش نمی شوند و باعث ایجاد انواع مشکلات در سیگنال رسانی و انتقال اطلاعات می شوند و نیز از آنجایی که زندگی آگاهانه، به فرآیند انتقال درست و صحیح اطلاعات بستگی دارد، در نتیجه این تفاوت ها برای اینکه مشاهدات ما را تنها در حد شناخت مناطق سه بعدی محدود نگاه دارند، کافی خواهند بود.
تصور کردن فراتر از سه بعد نیز مشکلات مختلفی به همراه خواهد داشت. در چنین حالتی، منظومه های سیاره یی غیرممکن می شوند، چرا که قانون عکس مجذوری جاذبه به صورت قانون عکس با توان های بالاتر در می آید. در نتیجه به نظر می رسد که جهان سه بعدی تنها جهانی است که وجود دارد و فیزیکدان ها می توانند درباره اش بنویسند. اما نکات ریزی وجود دارد که باعث می شود این فرضیه با شک و تردید همراه باشد. اما شاید این نتیجه مبتنی بر فرض های نادرستی است.
شاید فضا سه بعدی نیست و تنها این گونه برای ما نشان داده می شود. شاید فضا ۹ یا ۱۰ بعد دارد و حتی ابعاد بیشتر، برخی از نظریه هایی که قصد یکپارچه سازی نیروهای طبیعت را دارند مانند فرضیه ابرتار، امکان وجود تعداد ابعاد بیشتری نسبت به آنچه که ما می بینیم را مطرح می کنند.
دلیل شان نیز این است که بسیاری از معادلاتی که برای توصیف وضعیت موجود به کار می روند، با در نظر گرفتن تعداد بیشتر ابعاد، نتایج بهتری می دهند، در نتیجه نمی توان آن را کاملاً بی معنی دانست. ابعاد بیشتر فضا، در حل بسیاری از مشکلات و مسائل حل ناشدنی فیزیک ریشه دارند. برای مثال اینشتین برای توصیف کردن گرانش، به یک بعد اضافی نیاز داشت و آن، زمان بود. و تئودور کالوتزا نیز یک بعد به سه بعد اثبات شده اضافه کرد چرا که می خواست نظریه های جاذبه را با نظریه ماکسول در مورد الکترومغناطیس، یکپارچه سازد.
مطمئناً ما نمی توانیم بعد چهارم را ببینیم اما این هم احتمالاً دلیلی دارد. این بعدهای اضافه، بسیار کوچک و فشرده هستند. یک لوله پلیمری آب را از دور در نظر بگیرید. این لوله مانند یک خط دراز و مارپیچ به نظر می رسد. اگر از فاصله نزدیک تر به آن نگاه کنید، به شکل تیوب یا لوله دیده می شود. اما در حقیقت آنچه را که یک نقطه در نظر گرفتیم، یک سطح دایره یی شکل کوچک است که همراه لوله چرخیده است. به طور مشابه، شاید آنچه را که ما یک نقطه در فضای سه بعدی می پنداریم، دایره یی کوچک است که پیرامون بعد چهارم می چرخد، اما آنقدر کوچک است که دیده نمی شود. در نتیجه تصور کردن ابعاد بسیار زیادتری که این گونه در فضا پنهان شده اند، به راحتی ممکن است. اما متاسفانه نظریه ابرتار هنوز دقیقاً سه بعد گشوده شده را تایید نمی کند در نتیجه تفسیری برای جهانی که آن را احساس می کنیم، ارائه نمی کند.
اما برای تصور کردن یک بعد جدید، راه های دیگری هم هست. فرض کنید نیروهای فیزیکی بتوانند نور و جسم را به یک سطح سه بعدی یا رویه محدود کنند، در حالی که به برخی پدیده های دیگر فیزیکی اجازه می دهند تا وارد بعد چهارم شوند. ساکنان سطح آباد اجسام سه بعدی را در صفحه خود به صورت اجسام دوبعدی مشاهده می کنند. مثلاً یک توپ کره یی شکل را به صورت دایره می بینند، به طریق مشابه، می توان گفت که ما در حال حاضر تنها تصویری سه بعدی از اجسام و مفاهیمی را می بینیم که در واقع دارای ابعاد بیشتری هستند. اما ممکن است فضای «سه رویه یی» ما در فضای چهاربعدی تنها نباشد. ممکن است که رویه های قابل کشف دیگری نیز وجود داشته باشند که در فضای چهاربعدی حضور دارند. اثبات این فرضیه، انجام آزمایش هایی تازه را می طلبد که وجود بعد چهارم را نیز به ما نشان دهد. اما به تازگی این نظریه مطرح شده است که برخورد رویه ها می تواند توجیه گر «انفجار بزرگ» باشد. در نتیجه حضور ما روی کره زمین شاید اصلاً موید همین مطلب باشد که فضا واقعاً سه بعدی نیست،
● آیا سفر در زمان امکان پذیر است
شاید سوال یک نیز بازگویی همین پرسش باشد. ماهیت ماده تاریک و گرانش کوانتومی را فراموش کنید. شاید این سوال را هر کسی دوست دارد که پاسخ دهد. پس از اینکه اچ.جی. ولز، رمان نوگرایانه و جالب خود با نام «ماشین زمان» را نوشت، سفر در زمان به یک موضوع علمی- تخیلی مورد علاقه و جذاب برای مردم تبدیل شد. اما هرآنچه که اینجا مطرح شده است، لزوماً علمی- تخیلی نیست. برای مثال سفر در زمان به سوی آینده، یک واقعیت علمی پذیرفته شده است. نظریه نسبیت اینشتین تایید می کند ناظری که نسبت به زمین حرکت می کند، می تواند به آینده برود. این اثر را ساعت های اتمی ثابت کرده اند. اما جهش های بزرگ زمانی، به سرعتی مشابه سرعت نور نیاز دارد که شاید در تئوری قابل اثبات و ممکن باشد، اما حتی اگر به هزینه هایش فکر نکنیم، به یک شاهکار بزرگ مهندسی نیاز دارد، اما سفر در زمان به سمت عقب، مشکلات بزرگ تری خواهد داشت. نسبیت تایید نمی کند که یک ناظر بتواند در فضا-زمان سفر کند و به عقب هم برگردد. اما در همه داستان ها و سناریوها، چنین شرایط خارق العاده یی نیز در نظر گرفته شده است.
یکی از راه های سفر به عقب در زمان، استفاده از یک «کرم چاله» فضایی است. نظریه پردازان معتقدند چنین تونل (یا دروازه ستاره یی) که دو نقطه را در ابعاد فضا-زمان به یکدیگر متصل کند، شاید به راستی وجود داشته باشد. اگر یکی شان را پیدا کنید و داخلش بپرید، چند لحظه بعد از نقطه یی دیگر در جهان هستی سر در خواهید آورد. آنها معتقدند اگر چنین چاله یی وجود داشته باشد، می توان آن را با ایده ماشین زمان نیز هماهنگ کرد. می توانید از طریق آن سفر کنید و نه تنها از یک مکان دیگر سر در بیاورید، که وارد یک زمان دیگر نیز بشوید. این «زمان» می تواند در گذشته یا آینده باشد. اگر امکان سفر به گذشته وجود داشته باشد، انواع پارادوکس ها و متناقض نماها نیز اتفاق خواهند افتاد. از جمله این موارد معمای یک مسافر زمان است که به سال های گذشته می رود و مادرش را در زمان کودکی به قتل می رساند. اگر اصرار بورزیم و بدانیم که هیچ چیز نمی تواند قانون علت و معلول را از بین ببرد، از این متناقض نماها می توان گریخت. اما سفری دوطرفه در مسیر زمان، هنوز پیچیده و غیرقابل هضم است.
برای بسیاری از فیزیکدان ها، این مساله بسیار غیرعقلانی است. «استفن هاوکینگ» نظریه «محافظت از توالی گاه شماری» را مطرح می کند و معتقد است که یک نیرو یا عامل خاص باعث می شود تا اجسام فیزیکی یا نیروها نتوانند به گذشته برگردند. این مساله شاید به دلیل موانع و سدهای فیزیکی اساسی بر سر راه ساخت ماشین زمان اتفاق می افتد. برای مثال هنگام ورود به کرم چاله های فضا، انرژی کوانتومی خلأ بدون هیچ محدودیتی فوران می کند و مانع ورود به کرم چاله می شود.
● این سوال های من از کجا می آیند
هوشمندی و آگاهی انسان ها از کجا می آید؟ چرا برخی طرح ها و جریان های الکتریکی مانند طرح های مغز، موجب احساس و اندیشه می شود در حالی که برخی دیگر از این طرح ها مانند شبکه سراسری برق احتمالاً چنین احساساتی را به وجود نمی آورند؟ یا از سوی دیگر، چگونه می شود که مفاهیم انتزاعی و غیرمادی مانند تفکرات یا آرزوها می توانند الکترون ها و یون ها را در مغز حرکت دهند و موجب حرکت فیزیکی بدن شوند؟
یا آیا این پرسش ها فقط مغلطه های بی معنا و بی مورد مفاهیم هستند؟ آیا این پرسش ها تنها به این دلیل مطرح می شوند که فیزیکدان ها به آن پاسخ دهند؟ عده یی فکر می کنند که فیزیکدان ها به آسانی به این سوال ها پاسخ می دهند. ارتباط دادن جهان مادی و جهان معنوی چیزی است که اکثر فیزیکدان ها از آن دوری می کنند. اما اگر فیزیک مدعی باشد که یک علم جهان شمول و عام است، می توان نتیجه گیری کرد که آگاهی و معرفت علمی، تعریفی عام و تلفیقی از هر دو این مفاهیم است.
مکانیک کوانتومی به عنوان یک کلید در این زمینه شناخته شده است، بیشتر به این دلیل که ناظر بیرونی، نقشی اساسی در تفسیر و تعبیر سیستم های کوانتومی بازی می کند. اما هنوز راه زیادی مانده تا این موضوع روشن شود که تاثیرات کوانتومی در کل دستگاه و مجموعه نورون ها و سلول های عصبی نقش دارد یا نه؟ شاید کلید رسیدن به پاسخ، رجوع کردن به تعریف زندگی است. هیچ کس نمی داند که دقیقاً چگونه، کجا و چه زمانی حیات شروع شد. شاید ترکیبی از مواد شیمیایی بی جان، در ابتدا منجر به تشکیل یک موجود زنده ابتدایی شد. بدیهی است که این اتفاق به شکل آنی و لحظه یی و در یک مرحله نیفتاده است و بی هیچ گفت وگویی، می توان ادعا کرد که یک فرآیند فیزیکی پیچیده و طولانی طی شده است، اما هنوز مشخص نیست که این سیر تکامل حیات، از مشکلات و مسائلی است که باید در حوزه فیزیک بررسی شود یا نه؟
گاهی اوقات ادعا می شود که قانون های حیات بر پایه فیزیک نوشته شده است. البته این مساله درست است که اگر این قوانین اندکی متفاوت بودند، شاید تشکیل به کل غیرممکن می شد. اما هیچ چیزی در این قانون های شناخته شده وجود ندارد که اجسام را به تشکیل حیات مجبور کند. اگر چیزی به نام قانون حیات نیز در طبیعت وجود داشته باشد، نمی توان در لابه لای قانون های فیزیکی آن را یافت بلکه خاستگاهش در نظریاتی چون پیچیدگی و تئوری اطلاعات و... است. قوانین حاکم بر تئوری اطلاعات یا تئوری پیچیدگی، همچنان بررسی می شود. در سطح مشابه و از سوی دیگر، همان طور که اروین شرودینگر در دهه ۱۹۲۰ ادعا کرده بود، مکانیک کوانتومی نیز نقش مهمی در تاریخچه تشکیل حیات بازی می کند.
هرچند که قوانین مربوط به پردازش کوانتومی اطلاعات، به شکل قابل ملاحظه یی با سیستم های کلاسیک بیولوژیک تفاوت دارند، اما می توانند کلیدی برای حل این مشکلات و پاسخ به این سوال ها باشند.

ترجمه؛ سیدایمان ضیابری

منبع : روزنامه اعتماد