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 اتحاد 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

چرا رياضى ياد مى‌‌گيريم؟ اساسا، بخاطر سه دليله: محاسبه، كاربرد، و آخرى، و متاسفانه كمترين از لحاظ زمانى كه به اون اختصاص مى‌‌ديم، الهام بخش بودنه!  رياضى علم الگوهاست، و اون رو مطالعه مى‌‌كنيم تا ياد بگيريم چطور منطقى، منتقدانه و خلاقانه فكر كنيم، اما بخش خيلى زيادى از رياضى كه تو مدرسه ياد مى‌‌گيريم بطور موثرى انگیزه دهنده نيست، و وقتى هم میپرسیم، “چرا اين را ياد مى‌‌گيريم؟” چيزى كه اغلب مى‌‌شنویم اينه كه به زودی میفهمید! یا فوقش اگه دانشجوی فیزیک هم باشید، موقع تدریس درس «ریاضی فیزیک» میگند این توی فلان جای کوانتوم کاربرد داره! خب این اصلا خوب نیست! بهترنیست هر از گاهى رياضى رو فقط به خاطر این انجام بدیم که جالبه يا زيباست؟ يا به اين خاطر كه ذهن را به هيجان مياره؟  بذارید براتون مثالی بزنم از دنباله اعداد دلخواهم، اعداد فيبوناچى!

$$ 1   1   2   3    5    8 … $$

$$ a_1=1 $$ $$ a_2=1 $$  $$ a_{n+1}= a_n +a_{n-1} $$

از نقطه نظر محاسبه، فهمیدنشون آسونه! مثلا یک بعلاوه یک که می‌شه دو. بعد یک بعلاوه دو که می‌شه سه، دو بعلاوه سه پنج میشه، سه بعلاوه پنج هم هشت، و الی آخر. از لحاظ کاربرد، اعداد فیبوناچی اغلب در طبیعت بطرزی شگفت آور ظاهر می‌شند. تعداد گلبرگهای یک گل عموما عددی فیبوناچی است، یا تعداد مارپیچ‌های روی یک گل آفتاب‌گردان یا يك آناناس همینطور از قاعده سری فیبوناچی پیروی می‌کنند.

tumblr_ljjtzhCGDW1qf0yue

در حقیقت، کابردهای خیلی بیشتری دربرگیرنده ارقام فیبوناچی می‌شه، اما چیزی که بیش ازهمه دربارشون میفهمیم الگوهای عددی زیبایی هستند. فرض کنیم شما از محاسبه مربع کامل اعداد خوشتون میاد:

$$ 1   1   2   3    5    8     13  … $$
$$ 1   1   4   9   25   64   169 … $$

به این مربع‌های کامل از چند تا عدد اول فيبوناچى نگاه كنيم. شما وقتى مربع‌‌هاى كامل را با هم جمع مى‌‌كنيد انتظار نداريد چيز خاصى اتفاق بيفته. اما اين را ببينيد:

$$ 1+1=2 $$
$$ 1+4=5 $$
$$ 4+9=13 $$
$$ … $$
$$ a_{n-1}^2 + a_n^2 = a_{n+1} $$

در واقع، يكى ديگه هم هست. فرض كنيد كه ميخواستيد مربع‌‌هاى كامل چند تا عدد فيبوناچى اول را جمع كنيد. بذارييد ببينيم به كجا ميرسيم:

$$ 1+1+4=6 $$
$$ 1+1+4+9=15 $$
$$ 1+1+4+9+4+25=40 $$
$$ 1+1+4+9+25+64=104 $$
$$ … $$

حالا به اون اعداد نگاه كنيد. اونها اعداد فيبوناچى نيستند، ولی اگه با دقت بهشون نگاه كنيد، خواهيد ديد كه اعداد فيبوناچى درون اونها مخفى شدند! تونستید اونا رو ببینید:

$$ 6=2*3 $$

$$ 15=3*5 $$

$$ 40=5*8 $$

$$ 104=8*13 $$

 $$ … $$

ولی چرا:

$$ 1+1+4+9+25+64 = 1^2 + 1^2 + 2^2 + 3^2 + 5^2 + 8^2 =104 $$

بذارید یه کار جالب انجام بدیم! با یک مربع یک در یک شروع می‌کنیم و بعدش یک مربع یک در یک دیگه رو می‌ذاربم. با هم دیگه، اونها یک مستطیل یک در دویی را تشکیل می‌دند. زیر اون، یه مربع دو در دویی رو قرار می‌دیم، و بغل اون، یک مربع سه در سه، دوباره زیر اون، یک مربع پنج در پنج. و بعديك مربع هشت در هشت!  الان يك مستطيل بزرگ ساختیم، اينطور نيست؟FibonacciBlocks

 

حالا بذارييد یه سوال ساده بپرسیم: مساحت مستطيل چقدره؟ خب، از يك طرف، جمع مساحتهاى مربعهاى داخل اونه، اينطور نيست؟ درست همانطور كه اون رو خلق كرديم. یک مربع كامل بعلاوه یک مربع كامل بعلاوه مربع كامل دو بعلاوه مربع كامل سه بعلاوه مربع كامل پنج بعلاوه مربع كامل هشت. اینطور نیست؟ از طرف ديگه، مساحت اون برابر حاصلضرب طولش درعرض اونه.

پس:

$$ S = 1^2 + 1^2 + 2^2 + 3^2 + 5^2 + 8^2 =104 $$

$$ S = 8 * (5+8) = 8 * 13 $$

که ۱۳ عدد بعد از ۸ توی دنباله فیبوناچی هست!

الان اگر به اين فرايند ادامه بديم، مستطيل‌‌هاىی با اعداد ٢١ در ١٣، ۲۱ در ۳۴ توليد خواهيم كرد و الى آخر. 

خب الان اين را امتحان كنيد. اگر ١٣ را تقسيم بر ٨ كنيد، به ١/٦٢٥ مى‌‌رسيد.

$$ 13/ 8 = 1.625 $$

$$ 21/13 = 1.615 $$

$$ 34/21 = 1.619 $$

$$ 55/34 = 1.6176 $$

$$ 89/55 = 1.61818 $$

و اگر عدد بزرگتر را به عدد كوچكتر تقسيم كنيم، اين ضريب‌‌

2000px-SimilarGoldenRectangles.svg

ها به رقمى در حدود ١/٦١٨ نزديك و نزديك‌‌تر مى‌‌شود، كه از سوى خيلى‌‌ها بعنوان ضريب طلايى شناخته مى‌‌شود،رقمى كه رياضيدانها، دانشمندان و هنرمندان را قرنهاست كه مجذوب كرده. شاید بزودی یه چیزی هم در مورد نسبت طلایی بنویسم!

برای مثال اگه یک مربع a در a رو کنار یک مستطیل a در b بذاریم (a>b) اون موقع یک مستطیل a در a+b داریم! نسبت طول این مستطیل به عرضش، همون نسب طلاییه!

 \frac{a+b}{a} = \frac{a}{b} \equiv \varphi

یاد آوری کنم که جواب عدد زیر عدد طلاییه: 

png\varphi = \frac{1+\sqrt{5}}{2} = 1.6180339887\ldots.

ما زمان زيادى را صرف يادگيرى درباره محاسبه كردن مى‌‌كنيم، اما بياييد كاربرد رو هم فراموش نكنيم، از جمله، شايد، مهمترين كاربرد از همه آنها، ياد بگيريم چطور فكر كنيم.

ویکی پدیا یه منبع قابل اعتماده! همین طور پیشنهاد میکنم این ویدیو رو ببینید چون که یکی از منابع هست :

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.”

تقریبا همه ما اسم سیاهچاله رو شنیدیم ؛ به عنوان محیطی که اگر چیزی در آن گرفتار شود راه بازگشتی نخواهد داشت و مثل جاروبرقی همه چیز را جذب میکند ( آن محیط در سیاهچاله ها افق رویداد (Event_horizon) و عمل جذب کردن را گرانش قوی انجام میدهد). BH_LMCتا قبل از سال ۱۹۱۶ یعنی سالی که ستاره شناس آلمانی کارل شوارتزشیلد سیاهچاله را از معادلات نسبیت عام بدست آورد ، اغلب فیزیکدانان از جمله خودِ انیشتین بر این باور بودند که  تمرکز چنین عظیمی از ماده که بتواند چنین گرانشی داشته باشد بعید است و بافت فضا تحمل چنین چگالی ای از ماده را ندارد ( مشابه این کارها در سرن برای نمایان کردن ابعاد بالاتر انجام میشود ؛ به این صورت که پروتون ها را به بیش از ۹۹ درصد سرعت نور رسانده و در سوهای مخالف به هم تصادم میدهند و انرژی خارج شده از برخورد را اندازه گرفته و با مقدار نظری ِ محاسبه شده مقایسه میکنند و اغلب اختلاف چشمگیری در این دو عدد دیده میشود که این بدین معناست که سه بعد فضا و بافت آن تحمل چنین انرژی را نداشته و به ناچار این انرژی به ابعاد بالاتر منتقل میشود ) . کار شوارتزشیلد طبق فرمول زیر

1367343b8711a257d90f36e56cdfa773نشان داد که اگر جرمی در فضا با جرم m موجود باشد و شعاع آن از مقدار r ( شعاع شوارتزشیلد کمتر باشد به یک سیاهچاله تبدیل شده ، در گرانش خود فرو میرود  و هیچ اطلاعاتی ( حتی نور ) توان گریز از جاذبه گرانشی آن را نخواهند داشت و فقط از طریغ اثرات گرانشی آن بر روی اجرام مجاور میتوان به وجود آن پی برد ( مثلا با اتکا به این روش دانشمندا به این نتیجه رسیدن که مرکز کهکشان ما یه سیاهچاله با جرمی چهار میلیون برابر جرم خورشید ما قرار داره ) و به طور مستقیم قابل رویت نیست .مثلا اگر خورشید بخواهد به سیاهچاله تبدیل شود باید ابعادش به کره ای به اندازه تنها سه کیلومتر برسد و کره زمین برای تبدیل شدن به سیاهچاله باید ابعاد خود را به حدود ۹۰ متر  ( تقریبا اندازه یک زمین فوتبال ) کاهش دهد تا به سیاهچاله تبدیل شود ؛ بنابراین شعاع سیاهچاله تنها تابع جرم ستاره یا سیاره ، صرف نظر از شکل هندسی ، هست. و آخر  سخن اینکه در فیزیک ، سیاهچاله ها جزو نقاط تکینگی ( singularity )هستند 1143-20و میتونن تعابیر فیزیکی ( شاید هم متافیزیکی )داشته باشند ، هم میتونن راهی به دنیاهای موازی دنیا ما و یا راهی برای سفر در زمان باشند  و یا راهی برای دسترسی به ابعاد بالاتر و ، در اینگونه نقاط دیگر قوانین فیزیک کارایی خودشون رو از دست میدن و ممکن هست چیز های عجیبی اتفاق بیفته که توو دنیای روزمره نتونیم مشابه اون رو ببینیم .