در گوشه‌ای از جهان هستی

در قلب توده‌ بزرگی از ماده‌ی تاریک، در نقطه‌ای از کهکشان مارپیچی بزرگمان، بر روی سیاره‌ی خارق‌العاده‌ای که به دور خورشید با شکوهمان می‌چرخد، در ادامه‌ی زنجیره‌ای که هنوز تنها اثری از حیات زنده در کیهانمان است، ما نیز شروع به زندگی کردیم. به عنوان گونه‌ای با قدرت تفکر، همیشه به دنبال زبانی برای برقراری ارتباط با محیط اطرافمان بوده و هستیم. گاه با هدف رفع نیاز، گاه برای رفع حس کنجکاوی سیری ناپذیرمان و حتی گاهی در اثر ترس! اما هدف هرچه بود و هرچه هست، امروز درجای عجیبی از تاریخ علم ایستاده‌ایم و با غرور به جهانی نگاه می‌کنیم که نه آن‌طور که ما دلمان می‌خواهد، بلکه آن گونه که واقعا هست، در برابر ما ایستاده است.

شما اینجا هستید!

ما همیشه می‌خواستیم با طبیعتمان سخن بگوییم، و در طول تاریخ، فیزیک راهی بود که برای این هدف انتخاب کردیم. فیزیک زبان مشترک ما و طبیعت شد. ما مشاهده می‌کردیم، بعدها یاد گرفتیم ثبت کنیم، بر پایه‌ی مشاهداتمان فرضیه سازی کردیم و جلو رفتیم. زمینمان را تخت تصور میکردیم، هر کدام از سیارات و ستاره ها را خدایی می‌پنداشتیم که باید نیایش کنیم، وگرنه بر ما عذاب می‌فرستند. در ذهنمان خدایان ناشناخته‌ای ساختیم که شب و روز را پدید می‌آوردند. خدایانی که غروب خورشید را می‌خوردند و صبح باز او را به دنیا می‌آوردند. خدایانی که صبح از شرق برمی‌خاستند، در طول روز در آسمان سیر می‌کردند و غروب مانند پیرمردان در بستر می‌مردند. رعد و برق، خشم خدایان بود و زلزله خشم مادرمان زمین.

فرضیه ساختیم، خیالبافی کردیم و جلو آمدیم. سفر کردیم، اختراع کردیم، تا آنجا که زمین و آسمان را هر روز بهتر و بهتر شناختیم. فرضیاتمان به مرور حقیقیتر میشدند، از محیطمان به زیباترین وجه استفاده می‌کردیم، ویژگیهایش را میدانستیم، دارو می‌ساختیم، ظروف زیبا، وسایل نقلیه، ساختمان‌های باشکوه ، اما هنوز پیوند عمیقی برقرار نبود. با طبیعتمان به زیبایی زندگی میکردیم اما زبانش را نمیدانستیم. همیشه نگاهمان به آسمان هم معطوف بود. آسمان پر رمز و راز را می‌دیدیم. ستارگانی را که هر شبمان را زیبا می‌ساختند، در صورت‌های فلکی دسته بندی کردیم. علم اخترشناسی را به جود آوردیم و هر شب آسمان را رصد میکردیم. همه چیز را میدیدیم، اما هنوز علت‌ها ناشناخته بود.

نظریه  زمین‌مرکزی بطلمیوس

بطلمیوس که بین سالهای ۹۰ تا ۱۶۸ میلادی زندگی میکرد، معتقد بود زمین در مرکز جهان قرار دارد، و ماه و خورشید و سایر سیارات، به دور آن میچرخند. در این نظریه، سیارات مداری نداشتند و انگار بر روی صفحه‌ای شیشه‌ای به نام فلک چسبیده بودند و فلک به دور زمین در گردش بود. او معتقد بود که ۸ یا ۹ فلک وجود دارد و بر روی فلک آخر، ستاره‌ها چسبیده‌اند.

یک نقاشی قدیمی برآمده از طرز تفکر بطلمیوسی (زمین‌مرکزی) – نگاره از ویکی‌پدیا

پس از این فلک، که به آن فلک الافلاک می‌گفتند، خداوند و فرشتگان زندگی میکردند. این نظریه که به آن زمین مرکزی میگویند شاید یکی از نخستین نظریات جامع و منسجم ما درباره ی کیهانمان بود. این باور نزد ما پذیرفته شده بود. ما در مرکز جهان هستی، بر روی سیاره‌ی زیبایمان نشسته بودیم و همه به دور ما می‌گشتند. کلیسا نیز این فرضیه را بشدت تبلیغ می‌کرد. خیالی خوش و پرغرور اما ناپایدار. تا بالاخره در تاریخمان گالیله پیدا شد. او بود که گفت نه تنها ما مرکز جهان نیستیم، بلکه ما و چند سیاره‌ی دیگر همه و همه به دور خورشید زیبایمان میگردیم. او نگاه ما را به طبیعت و به ویژه علم مکانیک دگرگون کرد، و در یک کلام، او نخستین پیوند میان طبیعت و ریاضیات را در قلب علم حرکت شناسی نشان داد. وقتی به او فکر می‌کنم، و به جهانی که پیش از او می‌شناختیم، تصمیم و کار بزرگش بسیار ترسناک به نظرم میرسد. تصور کنید در خانه‌ای نشسته‌ایم، دیوارهایش را با رنگ‌های بسیار زیبا نقاشی کرده‌ایم و تصور می‌کنیم تمام حقیقت، هرآن چیزی است که در نقاشی‌هایمان کشیده‌ایم. ناگهان مردی از راه می‌رسد، دیوارها را خراب می‌کند،نقاشی‌ها را می‌سوزاند، ما را وسط تاریکی بی‌انتهایی رهایمان می‌کند و تنها مشعلی به دستمان می‌دهد. او نم‌یداند نتیجه‌ی جستجویمان چه خواهد بود، اما باور دارد حقیقت بسیار زیباتر و موثرتر از تمام نقاشیهایمان بر در و دیوار خانهمان است. او به درستی و زیبایی حقیقت باور دارد. ما این مشعل را گرفتیم و جلو آمدیم.

نیوتون و ادامه‌ی راه

مفهوم گرانش را فهمیدیم. حرکت سیارات را توجیه کردیم. مهندسی نوینی بر پایه‌ی معادلاتش بنا کردیم. علم مهندسی هر روز زندگی را ساده‌تر میکرد. اما سوالات ما پایانی نداشت. مطالعه بر روی نور از زمان نیوتون جدی‌تر دنبال می‌شد. تلسکوپ گالیله که یکی از دستاوردهایش کشف چند قمر از اقمار مشتری بود، به وسیله‌ی نیوتون اصلاح شد و کار رصد آسمان را اندکی بهبود بخشید. همچنین مطالعه‌ی ما بر روی الکتریسته و مغناطیس روز به روز بیشتر می‌شد و کسانی ماند لنز، فارادی، آمپر و دیگران ماهیت بار الکتریکی را معرفی کردند. سرانجام دوران طلایی فیزیک فرا رسید. در اواخر قرن نوزدهم، تامسون مدل اتمی‌اش را ارائه کرد. رادرفورد اولین بار مفهوم هسته را معرفی کرد. پروتون‌ها و نوترون‌ها شناخته شدند و سرانجام مدل سیاره‌ای توسط نیلز بور ارائه شد. مدلی که اگر درست بود بنابر نظریه‌ی الکترومغناطیس، به ناپایداری اتمها و نابودی اتم منجر میشد. در این زمان بشر به آزمایش‌هایی دست می‌زد که یکی پس از دیگری ناتوانی فیزیک نیوتونی را در توضیح مسائلی روشن‌تر می‌ساخت. اینطور به نظر میرسید که باز راهمان را گم کردهایم.

اما نه!

ما میدانستیم ماشینهایمان، هواپیماها و تمام علم ساختمان، بر پایه‌ی فیزیک نیوتونی دقیق و زیبا کار می‌کنند و جلو می‌روند. اینجا بود که به اصل بسیار زیبای همخوانی رسیدیم. اصلی که سنگ بنا و شرط اساسی تمام نظریاتمان شد:

اگر نظریه ی جامعی ارائه می‌شود، این نظریه باید در شرایط خاصی که مکانیک نیوتونی برقرار است، معادلات نیوتون را بدست دهد.

برای مثال، اگر به دنبال نظریه‌ی جامعی هستیم که قلب اتم را نیز برایمان توضیح دهد، چنانچه در معادلاتمان باز از اتم به اجسام عادی و سرعت‌های معمولی رسیدیم، باز معادلات باید همان معادلات نیوتون شوند. و این اصل چراغ راهمان شد. تابش جسم سیاه، اثر فوتوالکتریک، اثر کامپتون و … هر یک بیش از پیش ما را به سمت نظریه‌ی شگفت‌انگیز کوانتوم سوق داد.

دوگانگی موج و ذره یکی از مفاهیم عجیب مکانیک کوانتومی- نگاره از ویکی‌پدیا

با مکانیک نیوتونی و درک ماهیت موجی-ذره‌ای در ابعاد کوانتومی، هایزنبرگ ، شرودینگر و دیراک زبانی ساختند بسیار مدرن که ما را به اعماق ماده راه داد. در اوایل قرن بیستم بود که اینیشتین با تئوری زیبای نسبیت خاصش از راه رسید. نظریه‌ای که در پاسخ به مسئله‌ی یکسان بودن سرعت نور نسبت به هر ناظر لخت با هر سرعتی نوشته شده بود. این نظریه نشان داد که در سرعت‌های بالا،  زمان هم از نگاه ناظرهای مختلف متفاوت است و به این صورت، مفاهیم قدیمی فضا و زمان به هم گره خوردند و مفهومی بنیادیتر به نام فضا-زمان شکل گرفت. اما زیبایی بی‌نظیر معادلات نسبیت خاص درآن بود که اگر سرعت متحرک نسبت به سرعت نور کم میبود -مثلا در حد سرعت حرکت ما و وسایل نقلیه‌مان- معادلات باز به همان معادلات آشنای نیوتون میرسید. پس ظاهرا ما همه چیز را می‌دانستیم. در قلب ماده مکانیک کوانتوم جواب سوالاتمان را می‌داد. برایمان هسته و اتم را توضیح داد. اتم شکافتیم. انرژی گرفتیم و با توحشی که هنوز در وجودمان تمامی ندارد بمب ساختیم. در سرعتهای بالا، معادلات نسبیت حلال مشکلاتمان شد و هنگامی که سرعت کم میشد و ابعاد ماده به ابعاد معمولی میرسید، معادلات نیوتون زندگی روزمره‌مان را پاسخگو بود.

نیروی گرانشی چه؟

آیا گرانش همانگونه که نیوتون تصور کرده بود، شکلی از نیرو بود؟ و این باز آلبرت اینیشتین بزرگ پس از حدودا یک دهه از ارائه‌ی نسبیت خاص، نسبیت عام را مطرح کرد و از گرانش نه به عنوان یک نیرو که به عنوان اثری هندسی نام برد. در واقه آنچه به عنوان نیروی گرانشی می‌شناسیم چیزی نیست جز خمیدگی فضا-زمان در اثر وجود ماده. از دل این تئوری ، سیاهچاله‌ها، کرمچاله‌ها و امواج گرانشی سربرآوردند. ترکیب این نظریه با شواهد رصدی مبنی بر انبساط کیهان، معادلات فریدمان در توصیف کیهان را بدست داد. این معادلات ما را به بیگ بنگ رساندند. جایی که احتمالا آغاز فضا-زمان و در نتیجه کیهان زیبای ماست. سرانجام با اضافه کردن نظریه‌ی تورم و همچنین کشف اثرات ماده‌ی تاریک و انرژِی تاریک، به مدل استاندارد کیهانشناسی رسیدیم. مدلی که کیهانی را شرح می‌دهد که از مه‌بانگ آغاز کرده، ناگهان تورم یافته و سپس ذرات در آن شکل گرفته‌اند. ذرات ماده و ضد ماده و همچنین چیزی به نام ماده‌ی تاریک که البته هنوز هویتش را نمی‌دانیم. ماده بر ضد ماده غلبه کرده و همین موجب شکل‌گیری کهکشان‌های زیبا، سیارات و ستاره‌ها شده است. ماده‌ معمولی که میشناسیم که تنها ۵ درصد از کل جهان را تشکیل داده است. این ماده شامل کوارک‌ها که تشکیل دهنده‌ی نوترون و پروتون‌اند، نوترینوها، آنتی نوترینوها و ذرات دیگر است که همه و همه در مدل استاندارد ذرات بنیادی به زیبایی کنار هم نشسته‌اند.

تاریخچه انبساط جهان

پس از موفقیت‌های مکانیک کوانتومی، مثل هر نظریه‌ی دیگری، معایبش هم آشکار شد و یکی از آن عیب‌ها، ناتوانی مکانیک کوانتومی در حل مسائلی بود که طی آنها ذره خلق میشد. این موارد ما را به سمت نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی سوق داد، که ریچارد فاینمن آن را پایه ریزی کرد و رسما دید ما به جهان زیر اتمی تکامل زیبایی یافت. در سالهای اخیر با پیشرفت‌های چشم‌گیر تکنولوژی و علوم مهندسی، بالاخره وجود ذره‌ی هیگز تایید شد. تابش زمینه‌ی کیهانی هر روز مطالعه می‌شود. سال گذشته پیشبینی صد ساله‌ی آلبرت اینیشتین تحقق یافت و امواج گرانشی آشکار شدند. پس این طور به نظر میرسد که هر روز بیشتر از روز قبل با طبیعتمان به زبان مشترکی میرسیم. هر روز بیش از قبل زیبایی ریاضیاتمان، و نظریاتی که می‌نویسیم آشکار می‌شود.

 

پرسش‌های پیش‌رو

اما هنوز علامت سوال‌های بزرگی در پیش است. ماده‌ی تاریک واقعا چیست؟ انرژی تاریک چیست؟ این دو روی هم رفته ۹۵ درصد از جهان ما را تشکیل می‌دهند و هنوز برایمان ناشناخته‌اند. نظریات جدیدمان تا چه اندازه کارآمدند؟ تئوری ریسمان، نظریه‌ی ابرتقارن، گرانش تعمیم یافته، کیهان شناسی مدرن و … . هر روز بیش از قبل پیشرفت می‌کنیم و به کشف حقیقت نزدیک می‌شویم.‌ اما واضح است که در پی اینچنین تلاشی به قدمت عمر ما بر روی این کره‌ی خاکی، سوالات زیادی حل نشده باقی مانده‌اند و این چالش بزرگی پیش روی زیباترین وجه ریاضیات، یعنی فیزیک نظریست.

مدتی پیش کتابی میخواندم به نام «درباره‌ی معنی زندگی» از ویل دورانت.

اوبث اشاره می کرد که تلاش ما برای یافتن حقیقت، در واقع تمام اعتماد به نفسمان را از بین برد . چرا که زمانی ما مرکز جهان بودیم و همه چیز معطوف به ما بود. اما دانشمندان نشان دادند که ما گونه‌ای ناتوان در گوشه‌ای از این جهانیم و روزی تنها خورشیدی که میشناسیم نابودمان خواهد کرد و مولکول‌های ما تجزیه خواهد شد و آن روز پایان ماست. این جمله و نگاهش اگرچه از دید یک فیلسوف جالب و قابل تامل است، اما من قویا معتقدم حقیقت، بسیار زیباتر از امنیت ساختگی به وسیله‌ی توهم است. حقیقت هرچه هست، به ذات خود زیباست و این زیبایی دوچندان میشود وقتی به زبان ریاضی بیان میگردد. این جادوی فیزیک است.

همانگونه که زمانی فاینمن گفت:

ریچارد فاینمن، فیزیک‌دان تاثیرگذار قرن گذشته

«شاعران گفته‌اند که علم زیبایی ستاره ها را ضایع میکند، چون که آنها را صرفا کره‌هایی از اتم‌ها و مولکول‌های گاز می‌دانند. اما من هم میتوانم ستاره‌ها را در آسمان شب کویر ببینم و شکوه و زیبایی‌شان را حس کنم. می‌توانم این چرخ فلک را با چشم بزرگ تلسکوپ پالومار تماشا کنم و ببینم که ستاره ها دارند از هم‌دیگر، از نقطه ی آغازی که شاید  زمانی سرچشمه‌ی همگی‌شان بوده است دور می‌شوند. جست‌وجو برای فهمیدن این چیزها گمان نمی‌کنم لطمه‌ای به رمز و راز زیبایی این چرخ فلک بزند. راستی شاعران امروزی چرا حرفی از این چیزها نمی‌زنند؟ چه جور مردمانی هستند این شاعران که اگر ژوپیتر خدایی در هیئت انسان باشد چه شعر ها که برایش نمی‌سرایند اما اگر در قالب کره‌ی عظیم چرخانی از متان و آمونیاک باشد سکوت اختیار میکنند؟»

اگر شما هم به دنبال زیبایی‌های جهان بی‌نظیرمان هستید، به دنیای ریاضیات خوش آمدید.

قصه‌ و قصه‌گویی

قصه‌گوها را خیلی دوست دارم. قصه، نوع ادبی عجیبی از اطلاعات است که محملی برای بیان عجیب وغریب‌ترین رخ‌دادهاست. اصلا به نظر من، قصه همه چیز است! اگر می‌خواهید ایده‌ای را، هرچند بغرنج و پیچیده، به ذهن کسی بنشانید، محتوای آن ‌را درون قصه‌ای نهادینه و برای آن شخص بازگو کنید. بی‌بروبرگرد اثرش بیشتر از روایت حادثه به صورت خالص و عریان آن است. به باورهای خود رجوع کنید، در بنیادی‌ترین آن‌ها هم، قصه‌ها نشسته‌اند. شاید اصلا بشود چنین ادعا کرد که فرهنگ‌ هر ملتی را می‌توان در چارچوب قصه‌هایشان بازتعریف کرد؛ ممکن است که این ادعا از دقت کافی برخوردار نباشد اما به نظر گمان بدی نیست.

به هرحال، این شکوهمندی درقصه‌گویی و روایتگری‌ همیشه برایم جالب توجه بوده و با این که نه ادیب هستم (که اگر شما باشید لابد می‌توانید به این نوشته خرده بگیرید! پس اگر هستید، به آن‌چه در ادامه می‌خواهم بگویم توجه کنید که عاقل نخست محتوا را می‌نگرد و سپس صورت را!) و نه چندان تجربه زیادی در مطالعه آثار ادبی جهان دارم (که ای کاش داشتم!)، ارزش والای قصه و قصه‌گویی را می‌دانم. از سوی دیگر، یک فیزیک‌خوانده هستم، به بیانی، پیشه‌ام فیزیک است و چند صباحی با اهل علم حشر و نشر داشته‌ام و در گفتگویشان حاضر بوده‌ام. مکانیک کلاسیک گلدستین و الکترودینامیک جکسون را خوانده‌ام، مکانیک کوانتومی گریفیث و درس‌گفتارهای فاینمن  را نیز. تفاوت بیان گریفیث با ریتس و میلفورد  در بیان الکترومغناطیس را هم دیده‌ام. با این وصف، ممکن است بپرسید که روایتگری و قصه‌گویی چه ربطی به من دارد؟ فیزیک کجا و انواع ادبی! زمختی سخنرانی‌های علمی کجا و حماسه‌سرایی‌های شاهنامه؟! ریاضیات پیشرفته و بی‌عاطفه هنکل و بسل کجا و عاشقانه‌های رومئو و ژولیت؟ می‌توانم پاسخ را از این نقل قول جناب اردیش شروع کنم:

«این که بپرسیم چرا اعداد زیبا هستند مثل این است که بپرسیم چرا سمفونی نهم بتهوون زیباست! و اگر شما این زیبایی را نمی بینید، کسی هم نمی‌تواند این زیبایی را به شما نشان دهد. من می‌دانم که اعداد زیبا هستند. اگر نباشند، آنگاه هیچ چیز نیست!»

در داستان شازده کوچولو سنت اگزوپری به شیوه‌ای سوررئالیستی به بیان فلسفه خود از دوست داشتن و عشق و هستی می‌پردازد. او از دیدگاه یک کودک، که از سیارکی به نام ب۶۱۲ آمده، پرسشگر سؤالات بسیاری از آدم‌ها و کارهایشان است. نگاره از ویکی‌پدیا

ولی در پی این پاسخ، باید بگویم که «عاقلان دانند یا صاحبان خرد» یا اینکه سراغ «بصیرت» بروم که در این نوشته قصد پرداختن به آن  را ندارم.  راستش پاسخ بهتر به این پرسش، با فکر کردن به قصه‌گویی به‌دست می‌آید و ریشه در شیوه روایتگری ما در علم دارد! به نظر شما، هنگامی که نویسنده‌ای یا روایتگری، قصه‌ای تعریف می‌کند، چقدر به این فکر می‌کند که مستمعش کیست؟ چند سال دارد؟ در هاروارد درس خوانده یا یک دیپلم‌ردی است؟ به نظر شما «سنت‌ اگزوپری» موقع نگارش شازده کوچولو چقدر تحت تاثیر این قید بوده که شنونده یا خواننده‌ اثرش کودک تازه مدرسه رفته‌ایست یا استاد دانشکده ادبیات؟ سعدی چه طور؟! آیا سعدی هنگام نگارش گلستان، مخاطبش را مشخص‌ کرده بود؟ اگر این‌گونه بود، چگونه هم در بازار و هم دربین کتاب‌های کتاب‌خانه دانشگاه تهران صحبت از حکایات سعدی است؟

راستش را بخواهید، حکایت علم هم همین است! علم، روایتی از طبیعت است، روایتی زیبا، معرکه و پرشکوه! اما این روایت، به آن زیبایی که هست، معمولا نقل نشده و نمی‌شود. روایتگری در علم معمولا جایش را به بیانی خشک و بدون عاطفه داده است. در اقصی‌نقاط دنیا، معلمان ریاضی، فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی که اصلی‌ترین راویان علم هستند معمولا تلاشی برای «روایتگری» نمی‌کنند و به جای آن فقط به «بیان حقایق» می‌پردازند. همین است که همه ما سرماخورده یک زمستان در سرتاسر دنیا هستیم، زمستان بی‌ذوق و قریحگی در روایتگری در علم!

گالیله، روایتگر بزرگ علم

نگاهی تاریخی به آغاز علم، به معنی امروزی‌ یا مدرنش، ما را با گالیله و نیوتون مواجه می‌کند. در مورد این دو ابرمرد، نقل‌های زیادی وجود دارد ولی آن‌چه از نظر من جالب توجه است روایتگری این دو نفر است! همه ما می‌دانیم که سه‌جلدی شاهکار نیوتون به نام «اصولِ ریاضیِ فلسفهٔ طبیعی» یا به طور کوتاه «پرینکیپیا» چه تاثیر شگرفی بر علم داشته است. با این وجود، باید توجه کنیم این کتاب به زبان لاتین نوشته شده و فقط جلد نخست آن حدود ۵۰۰ صفحه و ۳۴۰ شکل بسیار پیچیده دارد. گویا جناب نیوتون کتاب را فقط برای متخصصان و اهل فن نوشته و حقی برای فهم مردم عادی در نظر نگرفته. فراموش نکنیم که نیوتون شخصیتی تکرار نشدنی در تاریخ علم است!

گالیله بر خلاف نیوتون، کتاب دیالوگو  را، به صورت یک قصه، به گونه‌ای نوشته که همه بتوانند آن را بخوانند. نگاره از ویکی‌پدیا

با این حال، برخلاف نیوتون، گالیله حدود ۵۰ سال قبل از نیوتون،  کتاب «گفتگو در باب دو سامانه بزرگ جهان» یا به طور کوتاه «دیالوگو»  را به زبان ایتالیایی و کاملا فصیح نوشته، به گونه‌ای که همه بتوانند اثرش را بخوانند! «دیالوگو» در مورد این ایده است که خورشید مرکز منظومه‌ شمسی است و گالیله این موضوع را به صورت گفتگویی میان سه دوست که به مدت چهار روز در ونیز به سر می‌برند روایت‌ می‌کند. نوشته گالیله بی‌نظیر است، ادبی و خنده‌دار است، پرشکوه و مبارزطلب است! گالیله به شکل هنرمندانه‌ای خواسته که مردم اثرش را بخوانند و درک کنند و بفهمند که زمین مرکز عالم نیست و این خورشید است که در مرکز این منظومه قرار دارد. البته همین کتاب سرانجام سبب شد تا آگاهی عمومی بالا برود و گالیله  را به اتهام کفر علیه خدا روانه دادگاه کنند.

«دیالوگو»تا مدت زیادی ممنوع‌الانتشار شد. نکته این است که آنچه برای کلیسا هشدار تلقی می‌شد فقط اکتشاف علمی گالیله نبود، بلکه قدرت روایتگری او بود! مردم قصه‌ها را دوست دارند، می‌شنوند، فکر می‌کنند و آگاه می‌شوند. گالیله یک روایتگر فوق‌العاده علم بود، یک آگاهی‌رسان!

«توسعه علم» به چه معناست؟

هرچند که می‌شود مفصل بحث کرد که هرکس شخصیت متفاوتی دارد و خلقیات خاص خود  را، اما هدف من معطوف کردن ذهن شما به ایده روایتگری در علم است.  راستی، در مسیر «توسعه علم»، اینکه فقط ایده یا مجموعه‌ای از ایده‌ها را به‌درستی بیان کنیم کافی است؟ یا به نظر شما، اگر نابغه‌ای به مدت ۱۰ سال حجم عظیمی از کارهای پژوهشی را در جزیره‌ای دور افتاده انجام دهد و به اکتشافات فوق‌العاده‌ای دست یابد ولی قبل از انتشار آن‌ها فوت کند یا اینکه آثارش به دلایلی از بین رود،آیا باز هم علم یا توسعه علم رخ‌داده است؟ نظر من که منفی است! البته سر این موضوع بحث زیادی وجود دارد و در این نوشته مجال پرداختن به آن نیست، ولی این یک مسئله جدی است! فتامل!

«چه جور مردمانی هستند این شاعران، که اگر ژوپیتر خدایی در هیئتِ انسان باشد، درباره‌اش چه شعرها که نمی‌سرایند اما اگر در قالبِ کرهٔ عظیم چرخانی از متان و آمونیاک باشد، سکوت می‌کنند؟» ریچارد فاینمن یکی از تاثیرگذارترین فیزیکدانان و روایتگران علم – نگاره از پیکی‌پدیا

تعریف «روایتگری در علم» چیست؟!

روایتگری در علم، به معنای بازگو کردن حقایق علمی به زبان مردم است! البته خوب است که منظورمان از «مردم» را با یک مثال مشخص کنیم! برای یک فیزیک‌دان، یک مهندس یا زیست‌شناس یا دانش‌آموز کلاس پنجم دبستان یا قصاب محل، مردم حساب می‌شود. هر کس که در حوزه مورد مطالعه یا پژوهش شما متخصص نیست، هنگام روایتگری، عامی حساب می‌شود. روایتگری در علم به این معناست که به فراخور مخاطبتان، چنان حق مطلب را ادا کنید که مخاطب، مستقل از سن و دانشش، پس از روایت شما بگوید «آهان، فهمیدم، چه جالب!». مهم‌ترین اصل در روایتگری در علم این است که چنان روایت کنید که هر کس بتواند بگوید «آهان!» پر واضح است که کار ساده‌ای نیست! برای اینکه روایتگر خوبی باشید، قبل از هر چیز، به درک درستی از موضوع نیاز دارید و سپس تلاش زیادی برای بیان مطلب به زبان مردم (مخاطبتان).

 

ایده‌هایی در باب روایتگری در علم

۱) سایت سیتپور

به عنوان یک فیزیک‌پیشه چند پروژه را به کمک دوستانم برای روایتگری در علم آغاز کردیم. پروژه اول، همین وب‌سایت سیتپور است. «مرام‌نامه» ما را بخوانید. هدف ما در سیتپور این است که فیزیک و ریاضی را قابل هضم‌تر به دست مردم برسانیم.

۲) رادیوفیزیک

«رادیـوفیزیـک»، یک رادیـوی اینترنتی علمی به یاد آنان که راه را هموار ساختند!

پروژه سیتپور، ایده‌ای بر اساس وبلاگ نویسی است، یعنی ما مطالبی  را می‌نویسم و شما می‌خوانید! اما امروز گاهی مردم حوصله خواندن ندارند! پس به سراغ ایده‌ی دیگری رفتیم. یک میکروفن برداشتیم و شروع به ضبط صدا کردیم که سرانجام منجر شد به یک رادیوی اینترنتی علمی به اسم «رادیوفیزیک»! ایده رادیوفیزیک بر مبنای ضبط پادکست‌‌های علمی و پخش رایگان آن به روی وب است. با رفتن به نشانی www.radiophysics.ir می‌توانید پادکست‌های ما  را گوش کنید.  راستش را بخواهید کار ساده‌ایست! کافیست که بدانید که قرار است چه بگویید! من و امید میکروفون  را برداشتیم و در مورد موضوعی به گفتگو پرداختیم، صدایمان ضبط شد، کمی با کامپیوتر ویرایشش کردیم و در نهایت به روی وب منتشرش کردیم که خب بازخورد خوبی هم نصیبمان شد!

۳) در تلگرام

کمی بعدتر، به این فکر کردیم، که جامعه ایرانی چقدر با تلگرام عجین شده! پس چه خوب است که به تلگرام برویم و روایتگری کنیم! ابتدا گروه «فیزیک‌طوری» را ساختیم. برخلاف نظر خیلی از دوستان به جای یک کانال، یک سوپرگروه در تلگرام ایجاد کردیم تا همه اعضا بتوانند در مسیر روایتگری سهمی داشته باشند. گروه فیزیک‌طوری در ظاهر قوانین خشکی دارد! ولی به شما اطمینان می‌دهم، باوجود شیوه خاص مدیریت گروه، نوعی جدید از روایتگری در علم به کمک این گروه بنا شده است. پس از آن، به همت دکتر مانی رضایی، گروه و سپس کانالی در تلگرام ساختیم که به روایتگری در حوزه «آموزش ریاضی» می‌پردازد. در گروه و کانال «آموزش ریاضی» به طور دقیق به موضوع «آموزش ریاضی» پرداخته می‌شود و اعضا می‌توانند مسیر علمی این رشته را دنبال کنند. آخرین پروژهایی که در تلگرام در آن شریک هستم، کانال «سیستم‌های پیچیده» است. پروژه‌های «آموزش ریاضی» و «سیستم‌های پیچیده» البته مخاطب‌های خاص خود را دارند، به ویژه کانال سیستم‌های پیچیده. با این وجود یکی از اهداف اصلی در همه کانال‌ها روایتگری در آن حوزه خاص و ترویج علم است.

در نهایت

اگر روایتگری در علم نباشد، توسعه علم با آهنگ کندتری پیش‌می‌رود. نباید فراموش کنیم که «‌علم» موجودی اجتماعی و سیاسی است! توسعه علم از دو سو ممکن است؛ نخست آن‌که متخصصان هر رشته، چه پیر و چه جوان، بتوانند آزادانه بیاندیشند و در تعامل با یکدیگر سعی در توسعه علم کنند و دوم اینکه متخصصان، مردم را هم‌راه و هم‌هدف خود سازند تا مسیر علمی برای پیمودن هموارتر شود. برای این‌کار نخستین گام، ترویج روایتگری در علم است. دانشمندان، اساتید دانشگاه و معلمان مدارس نه تنها باید تلاش کنند که به بهترین شکل ممکن مسیر آموزش  را در کلاس درس طی کنند بلکه باید به عنوان مروجان علم بکوشند تا فکر و جیب مردم  را هم معطوف به علم کنند.

به روایتگری در علم فکر کنید! اگه برای پسرخاله‌تان از علم نمی‌گویید یا نمی‌توانید دایی‌تان را با فهمیدن یک مطلب علمی شاد کنید یا دوست شما در گفتگو با شما نمی‌گوید «آهان، چه جالب!» یک جای کارتان لنگ است؛ یا خود درک درستی از موضوع ندارید یا اینکه به وظیفه خود عمل نمی‌کنید. بله، روایتگری در علم وظیفه هر اهل علم است!

پیچیدگی چیست؟!

حدود۳۳۰ سال پیش، نیوتون با انتشار شاهکار خود، اصول ریاضی فلسفه طبیعی، نگاهی جدید نسبت به بررسی طبیعت  را معرفی کرد. نگاه نیوتون به علم به کمک نظریه الکترومغناطیس که توسط مکسول جمع بندی و در نهایت توسط آلبرت اینشتین کامل شد، شالوده فیزیک‌کلاسیک را بنا نهاد. انقلاب بعدی علم، توسط مکانیک کوانتومی رخ‌داد. ‌آن‌چه که مکانیک کوانتومی در قرن ۲۰ میلادی نشانه گرفت، مسئله موضعیت در فیزیک کلاسیک و نگاه احتمالاتی به طبیعت بود. نگاهی که سرانجام منجر به پارادایمی جدید در علم، به عنوان فیزیک مدرن شد. با این وجود، علی‌رغم پیشرفت‌های خارق‌العاده در فیزیک و سایر علوم، کماکان در توجیه بسیاری از پدیده‌ها وا مانده‌ایم. پدیده‌هایی که همیشه اطرافمان حاضر بوده‌اند ولی هیچ‌موقع قادر به توجیه رفتار آن‌ها نبوده‌ایم. بنابراین، می‌توان به این فکر کرد که شاید در نگاه ما به طبیعت و مسائل علمی، نقصی وجود داشته باشد. به‌ دیگر سخن، بعید نیست که مجددا نیاز به بازنگری در نگاهمان به طبیعت (تغییر پارادایم) داشته باشیم؛ عده‌ی زیادی معتقدند آن‌چه که در قرن ۲۱ام نیاز است، نگاهی جدید به مبانی علم است؛ نگاه پیچیدگی!

سردمداران فیزیک مدرن – پنجمین کنفرانس سُلوی (۱۹۲۷).

گاهی گفته می‌شود که ایده پیچیدگی، بخشی از چهارچوب اتحاد بخشی برای علم و انقلابی در فهم ما از سیستم‌هایی مانند مغز انسان یا اقتصاد جهانی است که رفتار آن‌ها به‌سختی قابل پیش‌بینی و کنترل است. به همین خاطر، سوالی مطرح می‌شود؛ آیا چیزی به عنوان «علم پیچیدگی» وجود دارد یا اینکه پیچیدگی متناظر با هر شاخه‌ای از علم، دارای شیوه خاص خود است و مردم در رشته‌های مختلف مشغول سر و کله زدن با سیستم‌های پیچیده زمینه کاری خود هستند؟! به عبارت دیگر، آیا یک پدیده طبیعی مجرد به اسم پیچیدگی، به عنوان بخشی از یک نظریه خاص علمی در سیستم‌های متنوع فیزیکی (شامل موجودات زنده)  وجود دارد یا اینکه ممکن است سیستم‌های پیچده گوناگونی بدون هیچ وجه مشترک وجود داشته باشند؟! بنابراین، مهم‌ترین سوالی که در زمینه پیچیدگی می‌توانیم بپرسیم این است که، به‌ راستی پیچیدگی چیست؟ و در صورت وجود پاسخ مناسب به این پرسش، به دنبال این باشیم که آیا برای تمام علوم یک نوع پیچیدگی وجود دارد یا اینکه پیچیدگی وابسته به حوزه مورد مطالعه است!

در مورد تعریف پیچیدگی، هنوز اتفاق نظری بین متخصصان یک رشته خاص، مانند فیزیک، وجود ندارد، چه برسد به تعاریفی که در رشته‌های متنوع مطرح می‌شود. این تعاریف در ادامه نقد و بررسی می‌شوند. با این وجود، مشترکات زیادی در بین تعاریف موجود وجود دارد که برای شروع بحث، مرور آن‌ها خالی از لطف نیست:

  • برای ما، پیچیدگی به معنای وجود ساختار به همراه تغییرات است. (۱)
  • از یک جهت، سیستم‌پیچیده، سیستمی است که تحول آن شدیدا به شرایط اولیه و یا اختلال‌های کوچک حساس است. سیستمی شامل تعداد زیادی قسمتِ مستقلِ درحالِ برهمکنش با یکدیگر که می‌تواند مسیرهای مختلفی برای تحولش را بپیماید. توصیف تحلیلی چنین سیستمی قاعتدا نیاز به معادلات دیفرانسیل غیرخطی دارد. از جهت دیگر، می‌توانیم نگاهی غیررسمی داشته باشیم، به این معنا که اگر بخواهیم قضاوتی داشته باشیم، سیستم «بغرنج (complicated) » است و قابلیت اینکه دقیقا به طور تحلیلی یا نوع دیگری توصیف شود  وجود نداشته باشد.(۲)
  • به طور کلی، صفت «پیچیده»، سیستم و یا مولفه‌ای را توصیف می‌کند که فهم یا تغییر طراحی و/یا عملکرد آن دشوار باشد. پیچدگی توسط عواملی چون تعداد مولفه‌های سازنده و روابط غیربدیهی بین‌ آن‌ها، تعداد و روابط غیربدیهی شاخه‌های شرطی، میزان تودرتو بودن و نوع ساختمان داده است. (۳)
  • نظریه پیچیدگی بیان می‌کند که جمعیت زیادی از اجزا، می‌توانند به سمت توده‌ها خودسازماندهی کنند و منجر به ایجاد الگو، ذخیره اطلاعات و مشارکت در تصمیم‌گیری جمعی شوند. (۴)
  • پیچیدگی در الگوهای طبیعی نمایانگر دو مشخصه کلیدی است؛ الگوهای طبیعی حاصل از پردازش‌های غیرخطی، آن‌هایی که ویژگی‌های محیطی که در آن عمل می‌کنند یا شدیدا جفت‌شده‌اند  را اصلاح می‌کنند و الگوهای طبیعی که در سیستم‌هایی شکل می‌گیرند که یا باز هستند یا توسط تبادل انرژی، تکانه، ماده یا اطلاعات توسط مرزها از تعادل خارج شده‌اند. (۵)
  • یک سیستم پیچیده، دقیقا سیستمی است که برهم‌کنش‌های چندگانه‌ای بین عناصر متفاوت آن وجود دارد. (۶)
  • سیستم‌های پیچیده، سیستم‌هایی با تعداد اعضای بالایی هستند که نسبت به الگوهایی که اعضای آن می‌سازند، سازگار می‌شوند یا واکنش نشان می‌دهند. (۷)
  • در سال‌های اخیر، جامعه علمی، عبارت کلیدی «سیستم‌ پیچیده‌»  را برای توصیف پدیده‌ها، ساختار، تجمع‌ها، موجودات زنده و مسائلی که چنین موضوع مشترکی دارند را مطرح کرده است: ۱) آن‌ها ذاتا بغرنج و تودرتو هستند. ۲) آن‌ها به ندرت کاملا تعینی هستند. ۳) مدل‌های ریاضی این گونه سیستم‌ها معمولا پیچیده و شامل رفتار غیرخطی، بدوضع (ill-posed) یا آشوبناک هستند. ۴) این سیستم‌ها متمایل به بروز رفتارهای غیرمنتظره (رفتارهاری ظهوریافته) هستند. (۸)
  • پیچیدگی زمانی آغاز می‌شود که علیت نقض می‌شود! (۹)

شمایی از موضوعات مطرح در سیستم‌های پیچیده – نگاره از ویکی‌پدیا

در مورد تعاریف فوق ابهاماتی وجود دارد؛ در (۱) باید ساختار و تغییرات را به درستی و دقت معنا کنیم. در (۲) باید به دنبال تلفیق سیستم‌های پیچده و مفاهیمی چون غیرخطی، آشوب‌ناک و بس‌ذره‌ای بودن باشیم و به درستی مشخص کنیم که آیا این‌ ویژگی‌ها شرط لازم / کافی برای یک سیستم پیچیده هستند یا نه. (۳) و (۴) مفاهیم محاسباتی و موضوعاتی از علم کامپیوتر را مطرح می‌کند که به خودی‌خود مسائل چالش‌برانگیزی هستند! (۵) ایده مرکزی غیرخطی بودن را مطرح می‌کند؛ در ادامه می‌بینیم با این که تعداد زیادی از سیستم‌های پیچیده از ویژگی غیرخطی بودن تبعیت می‌کنند، با این وجود غیرخطی بودن نه شرط لازم و نه شرط کافی برای پیچیدگی است. در مورد (۶) و (۷) نیز باید تاکید کنیم که بس‌ذره‌ای بودن و شامل اعضا/عناصر/مولفه/افراد زیادی بودن نیز شرط کافی برای پیچیدگی نیست.  در ادامه خواهیم دید، تعریف (۸) که ایده‌ی برآمدگی (ظهوریافتگی یا Emergence) را مطرح می‌کند می‌تواند مفهومی بسیار گیج‌کننده باشد برای اینکه به کمک آن بتوانیم سیستم‌های پیچیده را تمیز و تشخیص دهیم. در مورد تعریف (۹) باید بحث زیادی کنیم چرا که افراد زیادی در برابر نقص علیت ناراحت خواهند شد! به همین دلیل است که گاهی درک سیستم‌های پیچیده برای مردم دشوار است.

بنابراین با توجه به ابهامات تعاریف افراد مختلف در حوزه‌های گوناگون علم، بهتر از است که مفاهیم وابسته به پیچدگی را بررسی کنیم.

Continue reading

  لطفا قبل از شروع این پست، پست «ترجمه بهترین‌ آثار کوتاه‌ فاینمن!» را  بخوانید. ترجمه این مقاله کاری از گروه ترجمه دانشجویان فیزیک امیرکبیر است. شما می‌تواند این مقاله به صورت فایل pdf دانلود کنید.

ویدیوی لذت درک امور:

 

  • زیبایی یک گل

    زیبایی یک گل

    زیبایی یک گل (برای بزرگ‌نمایی کلیک کنید)

من دوست هنرمندی دارم، او بعضی اوقات دیدگاه هایی دارد که من زیاد با آن ها موافق نیستم. مثلا گلی را به دستش می گیرد و می گوید: « ببین چقدر زیباست » و من هم با او موافقم، در ادامه می گوید « می بینی، من به عنوان یک هنرمند زیبایی گل را می بینم. اما تو به عنوان یک دانشمند، آن را تکه تکه می کنی و از بین می بری». به نظر من او یک جور دیوانه است. اولا من معتقدم آن زیبایی را که او می گوید همه می توانند ببینند، از جمله من، شاید زیبایی شناسی من به اندازه او قوی نباشد ولی برای من هم زیبایی گل تحسین برانگیز است. و این در حالی است که من در مورد گل چیزهای بیشتری می‌بینم. من سلول ها و واکنش ها پیچیده‌ای که درون آنها اتفاق می افتد را می توانم تصور کنم و آنها هم به نوبه خود دارای زیبایی هستند. منظورم اینست که زیبایی فقط در ابعاد سانتی متری نیست و در ابعاد کوچکتر و در ساختارهای داخلی نیز زیبایی وجود دارد. همچنین در فرآیندهای داخلی این گل رنگ ها طوری آمیخته شده اند که حشرات را برای گرده افشانی جذب کنند. و این فرآیند جالبست چون این را نشان می دهد که حشره ها هم رنگ را می بینند. یک سوال پیش می آید: آیا این حس زیبایی شناسی در ساختارهای ریزتر هم وجود دارد؟ چرا زیباست؟ تمامی این سوالات گوناگون و جالب نشان می دهد که دانسته های علمی به هیجان، رموز و هیبت یک گل اضافه می کند؛ نمی توانم بفهمم که چگونه کاهش می دهد.

اجتناب از دروس علوم انسانی

من همواره آدمی تک بعدی بوده ام و فقط در جهت علمی تلاش می نمودم و در زمان جوانی تمام تمرکزم بر روی این یک بعد بود. وقت و حوصله زیادی برای یاد گرفتن چیزی که علوم انسانی نامیده می شود نداشتم، اگرچه در دانشگاه، دانشجو ناچار است تعدادی دروس علوم انسانی اخذ کند. من تمام تلاشم را می کردم که از یاد گرفتن هر چیز در این مورد و کار کردن روی آن دوری نمایم. بعد از آن، وقتی سنم بیشتر شد قدری سخت گیری من در این زمینه کاهش یافت و یاد گرفتم که در این مورد مطالعه کنم. اما راستش هنوز آدمی بیشتر یک بعدی هستم و در موارد دیگری غیر از این یک بعد (بعد علمی) چیز زیادی نمی دانم. هوش من محدود است و از آن در یک جهت خاص استفاده می کنم.

  • تیراناسوروس در پنجره

وقتی پسر بچه بودم در خانه مان یک دایره المعارف بریتانیکا داشتیم و پدرم عادت داشت مرا روی پایش بنشاند و برایم از دایره المعارف بخواند. ما با هم درباره دایناسورها حرف می زدیم . شاید هم در مورد برونتوزوروس یا تیراناسوروس رِکس صحبت می کردیم، به عنوان مثال چنین می خواند: « این موجود 25 فوت قد دارد و عرض سر آن 6 فوت است » و همین جا صحبتش را قطع می کرد و می گفت «ببینم مفهوم آن چیست. یعنی اگر آن در همین حیاط روبروی ما می ایستاد، قدش آن قدر بلند بود که می توانست سرش را از پنجره داخل کند. اما نه کاملا، چون سر او کمی عریض تر از پنجره بود و پنجره را می شکست».

هر چیزی را که با هم می خواندیم، به بهترین نحوی که بتواند به ذهنیت ما نزدیک تر باشد تصور می کردیم. این کار باعث شد یاد بگیرم که عمل کنم و هر چیزی را که می خوانم سعی کنم مفهوم و معنای آن را بفهمم. (با خنده) من عادت داشتم دایره المعارف را وقتی یک پسر بچه بودم بخوانم و آن را تعبیر کنم، خیلی هیجان انگیز و جالب بود که تصور گردد حیواناتی با این ابعاد وجود دارند. من از این که یکی از آنها از پنجره داخل شود نمی ترسیدم اما فکر کردم خیلی خیلی جالب بود که همه آنها منقرض شدند و در آن زمان هیچ کس نمی دانست چرا.

ما در نیویورک زندگی می کردیم، و معمولا تابستان ها به کوه های کَتسکیل می رفتیم. کوه های کتسکیل جایی بود که مردم در تابستان به آن جا می رفتند. آنجا مردم زیادی بودند لیکن پدرها در طول هفته برای کار کردن به نیویورك باز می گشتند و فقط آخر هفته ها دوباره به کوه می رفتند. وقتی پدرم از نیویورك می آمد مرا به میان جنگل می برد و برای من از چیزهای مختلف و جالبی که لابه‌لای جنگل اتفاق می افتاد صحبت می کرد – که بعد برایتان تعریف می کنم – اما مادرهای دیگر که این رفتار پدرم را می دیدند قطعا فکر می کردند که این کار خیلی خوبست و پدرهای دیگر هم باید پسرهایشان را برای قدم زندن به جنگل ببرند. آنها روی این موضوع کار کردند ولی در ابتدا به نتیجه‌ای نرسیدند. برای همین از پدر من خواستند که همه‌ی بچه ها را با خودش به جنگل ببرد، اما او قبول نکرد زیرا او با من یک ارتباط بخصوصی داشت و ما با هم یک امر شخصی در بین داشتیم. بالاخره بقیه پدرها مجبور شدند بچه هایشان را از هفته آینده برای قدم زدن به جنگل ببرند. دوشنبه‌ی بعد وقتی همه‌ی [پدرها] به سر کار برگشتند، بچه ها داشتند در مزرعه بازی می کردند که یکی از بچه ها به من گفت این پرنده را ببین، آیا می دانی از چه نوعی است و من گفتم: « کوچکترین نظری راجع به نوع این پرنده ندارم ». او ادامه داد «یک پرنده آوازه خوان گلو قهوه‌ای است. پدرت چیزی راجع به اون بهت نگفته؟ ». ولی اینطور نبود: پدرم به من مطالبی یاد داده بود. او در حالی که به پرنده نگاه می کرد گفت: « می دونی که این چه پرنده‌ای است؟ یک پرنده‌ی آواز خوان گلو قهوه‌ایست؛ اما به پرتقالی به آن … می گویند، به ایتالیایی …، به چینی …، به ژاپنی …، و غیره. و حالا تو در هر زبانی که بخواهی اسم آن پرنده را می دانی اما مطلقا هیچ چیز در مورد این پرنده نمی دانی. تو فقط فهمیدی که آدم ها در مکان‌های مختلف آن را چه نامیده اند». و سپس از من خواست که با هم به تماشای پرنده ها بنشینیم.

او به من یاد داده بود که به هر چیزی توجه کنم. یک روز وقتی که داشتم با قطار اسباب بازیم بازی می کردم، (از همان قطارهایی که بچه ها آن را روی ریل می کشند.) یادم می آید که داخل واگن یک توپ بود، وقتی که واگن را می کشیدم چیزی در مورد حرکت توپ فهمیدم، به پیش پدرم رفتم و به او گفتم: « نگاه کن بابا من یه چیزی رو فهمیدم. وقتی که واگنرا می کشم توپ به عقب واگن حرکت می کند و وقتی ناگهان آن را متوقف می کنم توپ به سمت جلو حرکت می کند.» از او پرسیدم که چرا این اتفاق می افتد او پاسخ داد که دلیلش را هیچکس نمی داند. و ادامه داد: « قانون کلی اینه که چیزهایی که در حال حرکت اند سعی می کنند به حرکت خودشان ادامه بدهند و چیزهایی که ساکن اند تمایل دارند که ساکن باقی بمانند مگر اینکه شما آنها را هل بدهید که این تمایل اینرسی نام دارد و هیچکس نمی داند که چرا وجود دارد ». حالا من به درك عمیقی رسیده بودم چون پدرم فقط یک اسم به من یاد نداد، او تفاوت بین دانستن اسم یک چیز و خود آن را می دانست. چیزی که من هم خیلی زود یاد گرفتم. پدرم ادامه داد: « اگر دقیق نگاه کنی می فهمی که این توپ نیست که به عقب واگن می رود بلکه این عقب واگن است که تو داری بر خلاف حرکت توپ می کشی. یعنی توپ می ایستد یا حتی به خاطر اصطکاك به جلو حرکت می کند و به عقب نمی رود ». من به طرف واگن کوچکم دویدم و دوباره توپ را روی واگن گذاشتم و آن را از زیرش کشیدم در حالی که از کنار به آن نگاه می کردم دیدم که پدرم درست گفته است. وقتی که واگن را به جلو می کشیدم توپ اصلا به عقب نمی رفت. توپ نسبت به واگن به عقب می رفت ولی نسبت به بیننده کمی به جلو می رفت و در واقع عقب واگن بود که به آن می رسید. با این روش بود که من توسط پدرم تعلیم دیدم، با این نوع مثال‌ها و فقط با بحث های جالب و دوست داشتنی، بدون هرگونه فشار و اجباری من مورد آموزش پدرم قرار گرفتم.

Continue reading

مکانیک نیوتونی پایه‌ی تمام فیزیک است و علم جدید برپایه ایده‌های مکانیک نیوتونی بنا شده است. اعتقاد بر این بوده که اگر برهم‌کنش بین عناصر تشکیل‌دهنده‌ی یک سیستم را بدانیم، با استفاده از قوانین نیوتون می‌توان حرکت سیستم را پیش‌بینی کرد. ایده‌ی دنیایی که مانند یک ساعت، کوک شده  و همه چیز بر اساس قوانین فیزیک پیش می‌رود برای سیستم‌های مکانیکی ساده درست است ولی نه لزوما درست. حدود سال ۱۹۰۰ این موضوع فقط توسط دانشمند بزرگ فرانسوی، آنری پوانکاره، درک شده بود. پوانکاره به این پی‌برد که سیستم‌هایی وجود دارند که غیر قابل پیش‌بینی هستند و نمی‌توان آنها را به صورت ریاضی حل‌ کرد.

آنری پوانکاره (Henri Poincaré )

آنری پوانکاره (Henri Poincaré )

اگر شما سعی کنید آینده را به صورت ریاضیاتی پیش‌بینی کنید خواهید دید که سیستم به صورت گستره رفتار خواهد کرد و منظور از گسترده این است که اگر شما شرایط اولیه را به مقدار بسیار بسیار کمی تغییر دهید، پاسخ کاملا متفاوتی از سیستم خواهید دید. (برای سیستم‌های خوش‌رفتار اگر شما شرایط اولیه را به مقدار کمی تغییر دهید، رفتار سیستم هم به مقدار کمی تغییر می‌کند). کشف پوانکاره تا دهه ۱۹۷۰ رها شد تا اینکه یک ریاضی‌دان آب و هوا شناس،به نام ادوارد لورنتس در MIT کشف کرد که معادلات عددی وجود دارند که اتمسفر را توصیف می‌کنند به طوری که نمی‌توان رفتار سیستم را پیش‌بینی کرد. او به جالب‌ترین حالت ممکن به این موضوع پی‌برد. لورنتس از یک کامپیوتر به نسبت ساده برای حل انتگرال یک معادله‌ی ساده استفاده می‌کرد. او متوجه شد هر بار که مسئله را حل می‌کند به جواب‌های متفاوتی می‌رسد و علت آن این بود که کامپیوترها شرایط اولیه را به مقدار بسیار کمی در شروع هر حل تغییر می‌دهند، کامپیوترها کاملا(بینهایت) دقیق نیستند و اگر شما واقعا دقیق نباشید، پاسخ‌های متفاوتی دریافت خواهید کرد! او این موضوع را بررسی کرد و ما آشوب را کشف کردیم و برای آن اسم شگفت‌انگیز «اثر پروانه‌ای» را انتخاب کردیم. به این خاطر که اگر پروانه‌ای در برزیل در حال پرزدن باشد می‌تواند مسبب گردبادی در امریکای شمالی شود. اثر پروانه‌ای در حقیقت، کشف مجدد آشوب بود که تبدیل به موضوع بسیار مهمی در دینامیک شد و مطالعه‌ی سیستم‌های دینامیکی را متحول ساخت، به طوری که موضوع کتاب پرفروشی به نام آشوب در دهه‌ی ۸۰ شد.

50_no_mere_coincidence

اثر پروانه‌ای

خب این موضوع چه دخلی به فیزیک اتمی دارد؟ ربط زیادی ندارد! به خاطر اینکه فیزیک اتمی موضوع بررسی رفتار میکروسکوپیک اتم‌هاست و نه سیستم آب و هوای جهانی. با این وجود این سوال را برمی‌انگیزد که سیستم‌های اتمی چگونه رفتار می‌کنند که رفتار کلاسیکی سیستم، یک رفتار آشوب‌ناک می‌شود؟! می‌دانیم برای سیستم‌های اتمی که عددهای کوانتومی بالایی دارند، اصل هم‌خوانی بور برقرار است و رفتاری که سیستم از خود بروز می‌دهند مانند یک سیستم کلاسیک خواهد بود. او از این اصل برای توسعه مدل اتم هیدروژن درسال ۱۹۱۳ استفاده کرد، بنابراین یک نظریه‌ی قدرتمند است. اگر شما یک اتم را در نظر بگیرید و الکترون آن را تا ترازهای بالایی برانگیخته کنید آنگاه از قوانین ساده‌ی مکانیک کوانتومی پیروی می‌کند که درست مانند چیزی است که شما از فیزیک کلاسیک انتظار داشتید. برای مثال دوره‌تناوب مدارها با استفاده از قوانین کپلر به‌دست می‌آیند. ما به این سیستم‌ها، سیستم‌های نیمه‌کلاسیک می‌گوییم. زمانی که یک پروتون، یک الکترون را به سمت خود جذب می‌کند و الکترون بسیار دورتر از آن است به گونه‌ای که تفاوت حرکت بین حالت‌های کوانتومی بسیاربسیار کوچک باشد، به آن رژیم شبه‌کلاسیک می‌گوییم. اتم به خودی خود، هیچ‌گاه آشوب‌ناک نیست ولی اگر یک میدان مغناطیسی و یا الکتریکی به آن اعمال کنیم، آنگاه حرکت کلاسیک آن آشوب‌ناک می‌شود. سوال این است که رفتار کوانتومی این سیستم چیست!؟ سوال از‌ آنجا مطرح می‌شود که آشوب، حرکتی است که در آن تغییرات بسیار بسیار کوچک در شرایط اولیه،  رفتار سیستم را به طور کامل عوض می‌کند. اما از آنجا که مکانیک کوانتومی شرایط را تغییر می‌دهد، نمی‌توان تغییرات بسیاربسیارکوچک ایجاد کرد. شما نمی‌توانید مکان و سرعت را به صورت بسیاربسیار کوچک تغییر دهید از آنجا که اصل عدم قطعیت بر آن‌ها حاکم است. پس شما انتظار رفتار متفاوت دیگری را می‌کشید. بنابراین موضوع مورد علاقه‌ برای بسیاری از مردم در دهه‌ ۸۰ شد. در آن موقع من در حال تحقیق بر روی اتم ریدبرگ بودم و این سوال برایمان پیش آمده بود، برای همین ما شروع به آزمایش کردیم. هنگامی که آزمایشی انجام می‌دهیم، می‌توانیم اتم‌ها را در رژیم‌هایی مطالعه کنیم که مکانیک کوانتومی به درستی برای آن‌ها برقرار است و پس از آن به رژیم‌هایی برویم که رفتار کلاسیکی سیستم در آن‌ها آشوب‌ناک است. برای همین ما کاملا گیج شده بودیم که قرار است چه اتفاقی با هم رخ دهد؟! مکانیک کوانتومی که به کمک آن ترازهای انرژی بسیار خوب مشخص شده بودند، دیگر در ناحیه‌ی آشوبناک ناپدید می‌شد! هنگامی که برای اولین بار به آن نگاه کردیم بسیار حیرت‌زده شدیم، چون که تمام ترازهای انرژی کماکان در آنجا وجود داشت. شاید الان که به آن نگاه می‌کنیم یک پندار ساده‌ به نظر برسد ولی ما واقعا گیج شده بودیم. چیزی که ما به‌دست آورده بودیم الگوهای ترازهای انرژی بود که بسیار پیچیده و به نظر بی‌نظم و بی‌نظم‌تر می‌شدند. بنابراین می‌توان عمیقا وارد این رژیم از آشوب کلاسیک شده و کماکان ترازهای انرژی را دید، اما به شکل اسپاگتی! با این وجود، پی‌برده شد که حتی درون این رفتار شبیه اسپاگتی، نظم وجود دارد و نظم‌ توجیه‌کننده‌ی این موضوع است که حتی در حضور آشوب، مدارهای متناوب می‌توانند وجود داشته باشند. عده‌ی زیادی از نظریه‌پردازان به صورت نظری به این موضوع پی‌بردند و پس از آن آزمایش‌هایی انجام شد و ما متوجه شدیم که آن‌ها وجود دارند. در حقیقت پوانکاره این موضوع را مطرح کرده بود که حتی در شرایطی که سیستم‌ها کاملا آشوبناک هستند، حرکات متناوبی برای سیستم وجود دارد که مدام اتفاق می‌افتند. بنابراین ما به این نتیجه رسیدم که قطعا در سیستم‌های آشوبناک می‌توان این حرکت‌های متناوب را دید.

آشوب کوانتومی

آشوب کوانتومی

این ایده‌ی جالبی است، از آنجا که اگر بخواهید آن مدارها (ترازها) را با استفاده از روش‌های کلاسیک به دست آورید، کار به مراتب سختی خواهدبود، چون که سیستم‌های آشوب‌ناک می‌توانند به قدری ناپایدار باشند که اگر ،فقط به صورت عددی، بخواهید مدارهای متناوب مشخصی را از بین‌ آن‌ها پیدا کنید کار غیرممکنی خواهد بود، فقط به این خاطر که آشوب‌ناک است. ولی این‌ کار را طبیعت برای شما انجام می‌دهد! یعنی طبیعت مانند یک کامپیوتر کوانتومی عجیب و غریب رفتار می‌کند، انگار طبیعت یک سیستم کوانتومی است که مدارهای متناوب کلاسیک را در منطقه آشوب محاسبه می‌کند. ما چیزهای بسیار زیادی از این مدارها یاد گرفتیم، به عنوان مثال با استفاده از روش‌های مکانیک کوانتومی می‌توانیم رفتار کلاسیک سیستم را پیش‌بینی کنیم و نظم موجود در حرکت‌ را پیدا کنیم که در غیر این صورت امکان آن وجود ندارد. پس با این تعبیر، مکانیک کوانتومی از شر آشوب نجات یافته است و به ما چیزهایی از یک سیستم آشوب‌ناک می‌گوید. چیزی که واقعا از سیستم‌های آشوب‌ناک می‌دانیم و بسیار جالب است، وجود این مدارهاست. بنابراین ما در تلاش هستیم که بفهمیم مکانیک کوانتومی چه چیزهایی به ما می‌گوید ‌و فهمیده‌ایم که چیزهای زیادی به ما می‌گوید! همان‌گونه که ما و دیگران مطالعاتمان را معطوف به آشوب کوانتومی کردیم، بیشتر و بیشتر گیج می‌شدیم که به دنبال چه چیزی هستم؟!‌ سوالی که قرار است به آن جواب دهیم کدام‌ است؟! یک سوال این است که مشخصه‌های یک سیستم‌ کوانتومی که بازتاب کننده‌ی رفتار کلاسیک یک سیستم آشوبناک است چیست؟! ما هم اکنون یک جواب برای این سوال داریم. سوال عمیق‌تر این است که اصولا مکانیک کوانتومی جایی برای آشوب ندارد، به هر سیستم کوانتومی که نگاه کنید گونه‌ای از یک سیستم محدود در جعبه است و اگر به جواب‌های آن بنگرید، همه‌ی آنها متناوب هستند. شما یک برهم‌نهی از تابع‌موج‌های مختلفی که هر کدام با یک فرکانسی در حال نوسان هستند در نظر می‌گیرید، مهم نیست که چه تعداد، نتیجه‌ی نهایی یک حرکت متناوب است. اما در سیستم‌های آشوبناک، معمولا خبری از حرکت‌های متناوب نیست، شاید حالت‌های خاصی وجود داشته باشد، اما اغلب حرکت‌ها این گونه نیستند. بنابراین این‌گونه به نظر می‌رسد که مکانیک کوانتومی در توجیه آشوب کلاسیک ناتوان است. ولی ما می‌دانیم که مکانیک کوانتومی،‌ مکانیک کلاسیک را در برگرفته است. ما دوست داریم که بر این اعتقاد بمانیم که باید راهی وجود داشته باشد به طوری که هر حرکت کلاسیکی که می‌بینیم را توصیف کنیم. ما به معمایی رسیده‌ایم که به نظر می‌رسد، علی‌الاصول به خوبی طرح نشده است!  به هرحال، برای داشتن یک توضیح شفاف برای آن در حال تلاش هستیم.

یکی از پیشتازان این زمینه،‌ مایکل بری، فیزیک‌دان برجسته‌ی انگلیسی، اصطلاح «Quantum Chaology» به جای «آشوب کوانتومی» معرفی کرد و من فکر می‌کنم که اصطلاح خوبی است و به معنی آن دسته از پدیده‌های کوانتومی است که با حرکت کلاسیک مرتبط هستند ولی به خودی خود آشوب نیستند. با این وجود، هنوز مردم با اصطلاح «آشوب کوانتومی» مشکل دارند و نمی‌دانند که به چه معناست!

دنیل کلپنر

استاد فیزیک دانشگاه اِم آی تی و مدیر مشترک مرکز تحقیقاتی اتم‌های فوق سرد ِ اِم آی تی – هاروارد


عده‌ی زیادی معتقدند که قلب مکانیک کوانتومی «اصل عدم‌قطعیت» هایزنبرگ هست. این اصل بیان می‌کنه که در مکانیک کوانتومی، صرف نظر از خطاهایی که ممکن هست به‌خاطر وسایل اندازه‌گیری و یا هرچیز دیگه پیش‌بیاد، همیشه یک عدم قطعیتی برای بعضی از کمیت‌ها وجود داره که به هیچ وجه نمیشه از شرشون خلاص شد. به طور ویژه اصل عدم قطعیت بیان می‌کنه که حاصل ضرب عدم قطعیت «مکان» و «تکانه‌»ی یک ذره بیشتر از یک مقدار ثابت است: 

با این وجود اگر طالب این باشیم که مکان ذره رو بهتر بدونیم اطلاعاتمون از تکانه‌ی ذره کمتر میشه و همین طور اگر بخواهیم از تکانه ذره‌ اطلاعات بیشتری کسب کنیم باید قید دونستن اطلاعات زیاد مکان رو بزنیم. به عبارت دیگه،‌دونستن دقیق مکان و تکانه، به طور همزمان، در مکانیک کوانتومی غیرممکنه! این عدم‌قطعیت همین‌طور سبب شده تا خیلی‌ها به صورت فلسفی در مورد «چرایی» این اصل اندیشه کنند و بحث‌‌های مفصلی رو راه بیاندازند!

بگذریم! دعوتتون می‌کنم که این ویدیو رو با عنوان «اصل عدم‌قطعیت هایزنبرگ چیه؟» ببینید:



لینک‌های دانلود:

دانلود این ویدئو، دانلود این ویدئو بدون زیرنویس فارسی، لینک فایل اصلی (بدون زیرنویس) از یوتیوب

سال ۱۹۹۰ میلادی وقتی که فضاپیمای کاوشگر وویجر۱ پس از اینکه اولین ماموریتش رو انجام داده و در حال ترک منظومه شمسی بود، کارل سیگن (ستاره شناس سرشناس امریکااز ناسا خواست تا کاوشگر وویجر دوربینش رو به سمت زمین بچرخونه و از فاصلهٔ ۶ میلیارد کیلومتری (۳٫۷ میلیون مایلییک عکس از کره زمین از پهنه دور و وسیع فضا تهیه کنه.

نقطهٔ آبی کمرنگ (Pale Blue Dot)‏ نام اون عکسه که از کرهٔ زمین به عنوان بخشی از مجموعه تصاویر منظومه شمسی خانواده پرتره گرفته شدهدر این عکس کرهٔ زمین به شکل یک «نقطهٔ آبی کوچک رنگ پریده» (در اندازه ۰٫۱۲ پیکسلدر برابر عظمت فضا دیده می شه!

زمین از فاصله ۶ میلیارد کیلومتری (۳٫۷ میلیون مایل) همانند یک نقطه کوچک به نظر می‌رسد (لکه بسیار کوچک سفید در میانه پایین تصویر، سمت راست در میانه نوار قهوه‌ای) در اعماق تاریکی فضا
نقطه آبی کم رنگ

كارل سیگن بعدها كتابی نوشت (۱۹۹۴با عنوان «نقطه آبی كمرنگچشم انداز آینده بشر در فضا (Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space)». علاوه بر اون درباره ی این عكس، قطعه ی كوتاه و تاثیرگذاری خواند که آخر همین نوشته اومدهیک ویدیو کوتاه با زیرنویس فارسی گذاشتم که به دانلود کردنش می ارزه!

دوباره به اون نقطه توجه کنیداون اینجاست، اون خونه هست، اون ماییمروی اون، هر کی رو که دوست دارید، هر کی رو که می شناسید، هر کی رو که درباره اون شنیده اید، همه انسان هایی که تا حالا زندگی هاشون رو گذروندندانبوهی از لذت و رنج هزاران مذهب بی پروا، ایدئولوژی ها و عقیده های اقتصادی، هر شکارچی و علف خوار، هر قهرمان و ترسو، هر آفریننده و نابودگر تمدن، هر شاه و رعیت، هر زوج جوان عاشق، هر مادر و پدر، هر کودک امیدوار، مخترع و کاوشگر، هر معلم اخلاق، هر سیاستمدار فاسد، هر ستاره بزرگ، هر رهبر عالی هر قدیس و گناهکار در تاریخ گونه های ما، اونجا زندگی کردند، روی نقطه ای از غبار، معلق در پرتو خورشید.

گفته شده است که ستاره شناسی یک تجربه متواضع کننده و شخصیت ساز استبیانی بهتر از این شاید وجود نداشته باشد از زشتی خودبینی های بشر از این تصویر دور، از جهان کوچک مابرای من، این تاکید می کنه روی مسیولیت من تا با دیگری مهربانانه تر برخورد کنم و مراقبت کنم و گرامی بدارم اون نقطه آبی کمرنگ رو، تنها خونه ای که ما تا حالا شناختیم.”