سال‌ها پیش در یک کنفرانس فیزیک، موقع شام متوجه شدم کنار سوبرامانیان چاندراسخار، برندهٔ جایزهٔ نوبل، نشسته‌ام؛ کسی که به خاطر خلاقیتش برای فیزیکدان‌های نسل ما جایگاهی اسطوره‌ای داشت. در آن زمان، چاندرا پیرمرد خونگرم و کم‌حرفی بود. در میان غذا خوردن، به من نگاه کرد و گفت: «می‌دونی کارلو، برای اینکه درست حسابی به فیزیک بپردازی …» چشمانم درشت شد و در انتظار [شنیدن] گوهری گرانبها و خردمندانه خشکم زد. «… برای اینکه درست حسابی به فیزیک بپردازی، چیزی که بیش از همه نیازه، خیلی باهوش بودن نیست.» شنیدن این ایده از دانشمند برجسته‌ای که حد بالای جرم ستارگان را فهمیده بود و نظریه ریاضیاتی سیاهچالهها را توسعه داده بود، نامعقول به نظر میرسید. اما آنچه در ادامه در جمع‌بندی گفت ابهام را برطرف کرد: «اون‌چه بیشتر از هر چیزی مهمه زیاد سخت کار کردنه.»
هر بار که به نمونه‌ای از افسانهٔ «خلاقیت ناب» یا «تخیل بی حد و مرز» برمی‌خورم، کلمات چاندراسخار به یادم می‌آید. شنیده‌ام که برخی گفته‌اند برای ساختن چیز جدیدی کافی است قواعد را زیر پا بگذارید و خود را از بار سنگین گذشته رها کنید. گمان نمی‌کنم خلاقیت در علم چنین باشد. آینشتین یک روز صبح از خواب بیدار نشده و یک‌باره به این فکر افتاده باشد که چیزی سریع‌تر از نور وجود ندارد. ایدهٔ چرخش زمین به دور خورشید هم خیلی ساده به ذهن کوپرنیک نرسیده. همین‌طور ایدهٔ فرگشت گونه‌‌ها به ذهن داروین. ایده‌های جدید یک‌باره از آسمان نمی‌آیند.
«برای اینکه درست حسابی به فیزیک بپردازی، چیزی که بیش از همه نیاز است، خیلی باهوش بودن نیست. آنچه بیش از هر چیزی مهم است، بسیار سخت کار کردن است.» چاندراسخار
ایده‌ها از عمیق شدن در دانشِ معاصر پدید می‌آیند؛ از شدیدا از آنِ خود کردن آن دانش، تا رسیدن به نقطه‌ای که غرقه در آن زندگی کنید. از مرتب به سمت سؤال‌های باز رفتن و آزمودن همه راه‌های رسیدن به پاسخ و بعد دوباره آزمودن همه راه‌های رسیدن به پاسخ و بعد باز هم آزمودن همه راه‌های رسیدن به پاسخ! تا اینکه در جایی که کمتر انتظارش را داشتیم، شکافی، شیاری، گذرگاهی کشف کنیم. چیزی که پیش‌تر کسی متوجه آن نشده بوده و در عین حال در تضاد با آنچه می‌دانیم هم نیست؛ چیز خیلی کوچکی که به واسطه آن اعمال نفوذ کنیم، لبهٔ هموار و نامطمئن نادانی غیرقابل درکمان را بخراشیم و راه نفوذی به یک سرزمین جدید باز کنیم. این روشی است که بیشتر ذهن‌های خلاق در علم انجامش داده‌اند و امروزه هم هزاران پژوهشگر برای پیشبرد دانش ما در حال انجامش هستند.
کوپرنیک، با جزئیات کامل با کتاب قدیمی بطلمیوس (المجسطی) آشنا بود و در لابه‌لای آن، شکل جدید جهان را دید. کپلر سال‌ها مشغول سر و کله زدن با داده‌هایی بود که پیش از او تیکو براههِٔ ستاره‌شناس جمع‌آوری کرده بود، قبل از آن که مدارهای بیضی‌شکل که کلید درک منظومهٔ شمسی را فراهم کردند را از میان آن داده‌ها رمزگشایی کند.
دانش جدید از دانش امروزی پدید می‌آید چرا که درون آن، تضاد، تنش‌های حل‌نشده، جزئیاتی که منطقی نیستند و شکاف وجود دارد. تطبیق کامل نظریه الکترومغناطیس با مکانیک نیوتونی دشوار بود و این فرصتی را برای آینشتین فراهم کرد. مسیرهای زیبای بیضی‌شکل سیاره‌ها که کپلر کشف کرده بود را نمی‌شد با سهمی‌هایی که گالیله محاسبه کرده بود تطبیق داد و این کلید پیش‌بردن را به نیوتون داد. طیف‌های اتمی که سال‌ها اندازه‌گیری شده بودند با مکانیک کلاسیک سازگار نبود و این موضوع، هایزنبرگ را به شدت برانگیخت. تنش‌های درونی بین یک نظریه و نظریه دیگر، بین داده و نظریه، بین اجزای مختلف دانش ما، تنش‌های به‌ظاهر حل‌ناپذیری را ایجاد میکنند که از آنها چیزهای جدید سرچشمه می‌گیرند. آن چیز جدید قواعد قدیمی را می‌شکند، اما با هدف حل تضادها نه برای شکستن قواعد به خودی خود.
افلاطون در متن عظیم نامهٔ هفتم خود فرایند کسب دانش را چنین شرح می‌دهد:
پس از تلاش‌های زیاد، هنگامی که نام‌ها، تعاریف، مشاهده‌ها و دیگر داده‌های حسی گرد هم می‌آیند، کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و با جزئیات تمام با هم مقایسه می‌شوند، در طی یک بررسی موشکافانه و آزمونی آرام ولی سختگیرانه، برای هر جور مسأله‌ای، در پایان ناگهان نوری (درک ما) پدیدار میشود و همین‌طور وضوحی ازهوش که اثرات آن گویای محدودیت‌های توان بشر است.
وضوح هوش … اما فقط پس از تلاش‌های فراوان!
دو هزار و چهارصد سال بعد، آلن کن، یکی از بزرگترین ریاضیدانان حال حاضر، در عبارات زیر کشف آنچه که کسی را ریاضیدان میکند را توضیح می‌دهد:
کسی مطالعه میکند، مطالعه را ادامه می‌دهد، همچنان مطالعه میکند، سپس یک روز، در میان مطالعه، حس غریبی ایجاد میشود: اما این نمی‌تونه باشه، نمی‌تونه اینطوری باشه. یه چیزی هست که درست از آب درنمیاد. در آن لحظه، شما یک دانشمند هستید.
متن بالا ترجمه جستاری از کارلو روولی فیزیکدان ایتالیایی است. او عمدتا در زمینه گرانش کوانتومی کار میکند و بنیان‌گذار نظریه گرانش کوانتومی حلقه است. اصل این نوشته اخیرا در کتابی با عنوان There Are Places in the World Where Rules Are Less Important Than Kindness منتشر شده است.
اگر از دنبال‌کنندگان سیتپور هستین لابد با فاینمن تا حالا آشنا شدین. ریچارد فاینمن بدون اغراق یکی از بزرگترین فیزیکدانان قرن ۲۰ام و یکی از تاثیرگذارترین فیزیکدانان کل تاریخه. پیش‌تر از این، در مورد فاینمن نوشته بودم (۱) (۲) (۳) (۴) (۵). طی این چند روز، دوستان ویدیویی از یکی از مصاحبه‌های فاینمن رو برام فرستادن که ازش می‌پرسن آیا هرکسی می‌تونه فاینمن بشه؟ و فاینمن با خونسردی خاصی میگه آره! متن مصاحبه از این قراره:
شما از من می‌پرسی که آیا یه آدم معمولی با سخت درس خوندن می‌تونه چیزهایی که من تصور میکنم رو تصور کنه؟ البته! من یه آدم معمولی بودم که سخت درس خوندم. هیچ آدم افسانه‌ای وجود نداره! داستان از این قراره که این جور آدما به این جور چیزا علاقمند میشن و همه چیزای مربوط به اون رو یاد می‌گیرن. اونا هم آدم هستن! توانایی خارق‌العاده‌ای برای درک مکانیک کوانتومی یا تصور امواج الکترومغناطیس به دست نمیاد مگه از راه تمرین و مطالعه و یادگیری و ریاضیات! پس، اگه شما یه آدم معمولی رو در نظر بگیرین که وقت بسیار زیادی رو وقف مطالعه و فکر کردن و ریاضیات و این جور چیزا میکنه. اون موقع اون شخص خب یه دانشمند میشه!
احتمالا هر کسی که قدری فیزیک یا ریاضی خونده باشه، با دیدن این ویدیو کمی جا می‌خوره. واقعا مگه میشه مثل فاینمن شد؟ من نمی‌دونم، ولی خود فاینمن میگه میشه ولی ساسکایند میگه نمیشه!
نابغه‌ها دو دسته هستن. دسته اول، اونایی که اگه مدتی وقت بذاری متوجه کارشون می‌شی و با اینکه کارشون قابل تقدیره، ولی این حس رو پیدا می‌کنی که اگر کس دیگه‌ای هم وقت کافی صرف اون موضوع کرده بود، می‌تونسته اون نتایج رو به دست بیاره. اما دسته دوم، نابغه‌هایی هستن که وقتی آدم کارشون رو دنبال میکنه و ایده‌های بکری که به کار بردن رو متوجه میشه، همه‌ش از خودش می‌پرسه، مگه میشه!؟ آخه چه‌طور به ذهنش رسیده این چیزا! چه‌طور یه نفر تونسته توی این سن و سال این مسیر عجیب و غریب رو دیده باشه! آقای کاتس (Mark Kac) توی مقدمه کتاب Enigmas of Chance گفته که فاینمن از اون دسته‌ای هست که حتی دانشمندان تراز اول هم بهش غبطه می‌خورن! آدم‌هایی که نبوغشون جادوییه! با این وجود، این چیزی نیست که فاینمن در مصاحبه گفته! فاینمن معتقده که هر کسی که تلاش کنه می‌تونه فاینمن بشه! راستش گروه باراباشی سال گذشته نشون دادن که موفقیت در مسیر علمی به شانس هم بستگی داره و صدالبته اینکه وقتی شما شانس بیشتری پیدا می‌کنی که همیشه در حال تلاش باشی و پرکار و پویا! به‌هرحال ما نمی‌تونیم انکار کنیم که کار زیاد و خون جگر خوردن بی‌ثمر می‌مونه، همین‌طور که نمی‌تونیم عظمت جناب فاینمن رو انکار کنیم!
چه کسی محبوبه؟ نابغه‌ترین؟!
چیزی که برای من جالبه اینه که چرا بین همه فیزیکدانان رده بالای قرن ۲۰ام، چهرههایی مثل آینشتین، فاینمن و هاوکینگ تبدیل به ابرچهره شدند؟! چهرههایی که نه تنها جامعه فیزیک‌دان‌ها اونا رو ستایش میکنه بلکه مردم هم اونا رو میشناسن، بهشون احترام می‌ذارن و بهشون به عنوان قهرمان/الگو/اسطوره نگاه میکنند! راستی، برای اینکه دانشمندی تبدیل به چهره‌ای مردمی بشه فقط به نبوغ سرشار نیاز داره؟
جواب این سوال منفیه! یقینا در قرن گذشته بزرگانی وجود داشتن که از فاینمن یا هاوکینگ بزرگتر بوده باشن. بزرگانی که حتی دانشجوهای لیسانس فیزیک هم ممکنه با شنیدن اسمشون احساس آشنایی پیدا نکنن! مثلا همین جناب شویینگر که به همراه فاینمن در سال ۱۹۶۵ نوبل QED رو گرفته یا عالی‌مقام دیراک! سوال اینجاست که چرا این فاینمنه که ورد زبان‌هاست و نه جان ویلر (استاد فاینمن)؟! بدون تردید جان ویلر قله‌ای استوار در فیزیک به حساب میاد. (شاید از کم‌ترین دستاورهای جان ویلر این باشه که دو تا از دانشجوهاش نوبلیست شدن: فاینمن در سال ۱۹۶۵ و کیپ ثرون در ۲۰۱۷.) یا مثلا اکثر مردم آینشتین رو به عنوان نمادی از نبوغ میشناسن ولی با ماکس پلانک یا هنری پوانکاره عزیز هیچ آشنایی ندارن چه برسه به کسانی مثل چاندراسخار یا لینوس پاولینگ! یا مثلا آقای بیل گیتس، فاینمن را به خوبی می‌شناسه ولی لابد اسمی از دیوید بهم هیچ موقع نشنیده! پس ماجرا چیه؟!
فاینمن در حال گفتگو با TA خود پس از کلاس درس. April 29, 1963. حق نشر متعلق به کلتک: feynmanlectures.caltech.edu
فاینمن، روایتگر بزرگ علم!
چیزی که فاینمن رو تبدیل به یک نماد و ابرچهره کرده فقط نبوغ سرشار و بی‌نظیرش نیست. به قول فریمن دایسون، برای اینکه یک دانشمند بتونه تبدیل به یک ابرچهره یا نماد برای مردم بشه، علاوه بر نبوغ زیاد، باید توانایی ارتباط با مردم رو داشته باشه. باید بتونه با مردم حرف بزنه و به زبون خودشون بهشون اتفاقات دنیای علم رو توضیح بده. مردم به امثال آینشتین یا فاینمن با روی خوش نگاه میکنند چون مثل خودشون هستن! فاینمن یک بذله‌گو تمام عیار بود، یک دلقک حتی! مردم کسایی که خشک و عصا قورت داده هستن رو دوست ندارن! فاینمن همون‌قدر که دانشمند تراز اولی بود، موقع تدریس یک شومن فوق‌العاده هم بود! همون قدر که دقت علمی در گفتگوهاش داشت، همون‌قدر هم در روایتگری ید بیضایی داشت! مردم قصه‌گوها رو دوست دارن و به قصه‌ها گوش می‌دن. به نظر من، فاینمن بزرگترین روایتگر علم در دو قرن گذشته است!
فاینمن، انسان بود، درد رو می‌فهمید!
فاینمن فرد عاقل و خرمندی بود! فاینمن در مورد مسائل زندگی حرف برای گفتن داشت. حرف‌های درست و حسابی! فاینمن زندگی رو می‌شناخت و سختی‌های زیادی رو طی زندگی تحمل کرده بود. اگر کتاب «حتما شوخی میکنید آقای فاینمن!» رو خونده باشین، در جریان بیماری Arline همسر فاینمن هستین. فاینمن، علی‌رغم مشغله‌های کاریش به خاطر پروژه منهتن (پروژه ساخت بمب هسته‌ای)، با تمام وجود از همسرش پرستاری کرد و اجازه نداد که آب توی دلش تکون بخوره! فاینمن همسر جوانش رو خیلی زود از دست داد و این داغ هیچ موقع از دل و ذهن فاینمن بیرون نرفت. ما فاینمن رو به عنوان یک معلم بزرگ فیزیک میشناسیم. لکچرنوت‌های فاینمن پرآوازه‌ترین کتاب‌هایی هستن که برای یادگیری فیزیک توی بازار میشه پیدا کرد و از صدقه سر این مجموعه فوق‌العاده ما بعد اجتماعی فاینمن رو به خوبی میشناسیم. در مورد بعدی فردی فاینمن، چندسال پیش، مجوعه‌ای از نامه‌های فاینمن منشتر شد به اسم «Perfectly Reasonable Deviations: The Letters of Richard P. Feynman» که جلوه‌های جدیدی از زندگی فاینمن رو به ما نشون میده.
فاینمن باتمام وجود از همسرش پرستاری میکرد. درست زمانی که مشغول پروژه بمب اتم بود!
پیشنهاد میکنم نامه‌ای که فاینمن پس از مرگ همسرش نوشته رو حتما بخونید!فریمن دایسون میگه پشت تمام شادمانی‌های فاینمن، یک تراژدی نشسته بوده و با تمام شور و نشاطی که مردم از فاینمن سراغ دارن، اون خیلی خوب می‌دونسته که زندگی کوتاهه! فاینمن در سالهای آخر عمرش از دو سرطان نادر رنج می‌برد: لیپوسارکما و بیماری والندشتروم. بعد از یک عمل جراحی کوتاه برای درمان بیماری والندشتروم، فاینمن در ۱۵ فوریه ۱۹۸۸ تو سن ۶۹ سالگی در مرکز پزشکی یو سی ال ای در گذشت. آخرین کلماتش این بود: «از این که دو بار بمیرم متنفرم، خیلی کسل‌کننده است.» 🙁
فاینمن «انسان» بود، درد رو حس کرده بود و برای فرزندان، دانشجوها و حتی همکارانش یک «راهنمای دلسوز» بود. مجموعه نامه‌های منتشر شده فاینمن، گواه دغدغه‌های فاینمن و احساسش نسبت به مردم اطرافشه. فاینمن به عنوان یک نوبلیست، با تمام مشغله‌های آکادمیک به نامه‌های مردم از سراسر جهان با حوصله جواب می‌داده، برای مردم وقت می‌ذاشته و سعی می‌کرده راهنماییشون کنه! راستش، فاینمن عجیب منو یاد این عبارت از اسرارالتوحید ابوسعید ابوالخیر می‌ندازه: «مرد آن بود که در میان خلق بنشیند و برخیزد و بخسبد و بخورد و در میان بازار در میان خلق ستد و داد کند و با خلق بیامیزد و یک لحظه، به دل، از خدای غافل نباشد.»
حواسمون باشه:
در انتها به نظرم باید به این نکته اشاره کنم که فراموش نکنیم که ما در علم به دنبال چهره‌ها نیستیم! علم مستقل از عالمه! افراد مهم نیستن، بلکه حرف مردمه که مهمه. درگیر اشخاص نشیم و از دانشمندا بت نسازیم! نظر ساسکیند در مورد فاینمن رو بشنویم، نگاه کنیم که پس از مرگ فاینمن، شووینگر در رثای اون چی گفت! همین‌طور به ماری گل-مان هم گوش کنیم که میگه: «فاینمن بخشی از وقتش رو صرف پرداختن به قصه‌های میکرد که خودش قهرمان اونها بود!». نگاه کنید به: Feynman100
یه نکته جالب دیگه اینه که مشهور بودن لزوما معنای مثبتی نداره! ارنست آیزینگ معروف‌ترین دانشمند در فیزیک آماری به حساب میاد ولی این به این معنا نیست که بزرگترین فرد در این زمینه هم باشه! راستی زیاد دل‌خوش به اسم قضیه‌ها و قانون‌ها هم نباشیم! بخش زیادی از اکتشافات، قضیه‌ها، روابط و قوانین به اسم کسانی معروف شدن که هیچ ربطی به اون قضیه یا قانون ندارن. به‌هرحال روزگار زیاد مطابق میل و اراده ما هم پیش نمیره!
In my tweet below, I failed to mention that these three men also worked on nuclear bombs and that von Neumann and Feynman were sexist and Feynman was a sexual harasser. Thank you to all (see replies to tweet below) who provided this and other context omitted in my caption. https://t.co/rolVWupSGS
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.
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.
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.
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:
«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.
درصورت تمایل این کتاب را دانلود کنید و عنوان مطلبی که علاقمند به ترجمه آن هستید را در قسمت نظرات بنویسید و یا به نشانی abbascarimi در gmail ایمیل کنید!
«حالا، اینجا چیز دیگری است که نسبتا جالب است. یکی از مخرب ترین رویدادها در تاریخ ریاضیات، که توسط بسیاری از مردم درک نشده، در حدود ۱۳۰ سال پیش رخ داده است، ۱۴۵سال پیش. ریاضیدانان شروع به خلق اشکالی که وجود نداشتند کردند. ریاضیدانان شروع به خودستایی کردند به حد مطلقا شگفت انگیزی که انسان بتواند چیزهایی را اختراع کند که طبیعت نمی دانست. به طور خاص، توانست چیزهایی اختراع کند مانند یک منحنی که صفحه را پر می کند. یک منحنی، منحنی است، یک صفحه، صفحه است، و این دو ترکیب نخواهند شد. خب، آنها ترکیب می شوند! مردی به نام پیانوچنین منحنی هایی تعریف کرد، و آن موضوع فوق العاده مورد علاقه واقع شد. آن موضوع بسیار مهم، اما بیشتر جالب توجه بود به دلیل یک نوع شکاف، یک جدایی بین ریاضیات آمده از واقعیت از یک طرف، و از طرف دیگر ریاضیات جدیدی که از ذهن ناب انسان آمده است. خب، من بسیار متاسف بودم برای تذکر اینکه ذهن ناب انسان در حقیقت، آنچه را برای یک مدت طولانی دیده شده بود بالاخره دیده است! و بنابراین من اینجا چیزی را معرفی می کنم، مجموعه ای از جریان های یک منحنی صفحه پر کن…»بنوآ مندلبرو (پدر هندسه‌ی فرکتالی) ، سخنرانی تد ۲۰۱۰
توی پست دوم فرکتالها در مورد بعد (یا ناهمواری) غیرصحیح فرکتالها توضیح دادم. مثلا دیدیم که بعد برف‌دانه‌ای که ساختیم ۱/۴۶ و بعد مثلث سیرپینسکی ۱/۵۸ به دست اومد. حالا فرض کنید که بعد از محاسبه بعد یک فرکتال، اون عدد دقیقا «۲» به دست بیاد! به نظرتون این چه معنی میده؟ اگر این اتفاق بیفته اون موقع فرکتال شما کل صفحه رو پر میکنه! یعنی به ازای هر نقطه از صفحه یک نقطه از فرکتال وجود داره. برای توضیح بیشتر اجازه بدید که وارد موضوع «خم‌های فضا (صفحه) پر کن بشم»:
خم‌های فضا پرکن:
خیلی از اوقات نیازه که مختصات فلان نقطه در فضا رو بدونیم. توی این جور مواقع،بسته به نوع مسئله، از دستگاه مختصاتی استفاده میکنیم که به کمک اون راحت‌تر بتونیم مختصات نقاط دلخواه رو مشخص کنیم. به عنوان مثال همه‌ی ما از دستگاه مختصات دکارتی (کارتزی) توی دبیرستان استفاده میکردم. دستگاهی که برای مشخص کردن هر نقطه از فضا کافی بود فاصله‌ی فضایی اون نقطه از مبدا (همون x, y, z) رو بدونیم. یا مثلا همه‌ی دانشجوهای فیزیک می‌دونند (یا باید بدونند!) زمانی که توی فضای ۳ بعدی با مسئله‌ی نیروی مرکزگرا مواجه میشند بهتره که از دستگاه مختصات کروی استفاده کنند. توی دستگاه کروی از دو تا زاویه و یک فاصله‌ی شعاعی استفاده میشه تا مختصات هر نقطه از فضا مشخص بشه. شاید رفتن از دستگاه دکارتی به کروی مسئله رو راحت‌تر کنه ولی چیزی که فرق نمی‌کنه اینه که برای توصیف هر نقطه در فضا چه در دستگاه دکارتی و چه در فضای کروی به ۳ تا پارامتر نیاز داریم و تعداد پارامترها تغییر نمی‌کنه! (اگر الان دارید به مختصات تعمیم یافته فکر میکنید اولا آفرین، ثانیا لطفا فعلا فراموشش کنید چون من میخوام یه چیز دیگه بگم!) حالا فرض کنید که یک خم با ابتدا و انتهای مشخص دارید. خم یک موجود یک بعدیه که توی یک فضای ۲ بعدی و یا بیشتر جا میشه و زیر مجموعه‌ای از اون فضاست. شما میتونید خمتون رو تقسیم بندی کنید (مثل خط کش). اگر نقطه‌ی ابتدایی خمتون رو مبدا در نظر بگیرید (انتخاب این نقطه اختیاری، هر نقطه‌ی دیگه‌ای رو میتونید در نظر بگیرید)، اون موقع مختصات (موقعیت) هر نقطه‌ای از خم رو میتونید با استفاده از مبدا و تقسیم بندی که انجام دادید، داشته باشید! مثلا در فاصله ۳ سانتی متری نقطه‌ی A و در فاصله‌ی ۲.۳۴ سانتی متری نقطه‌ی B قرار داره. این نقاط یکتا هستند، به عبارت دیگه توی یک فاصله‌ی مشخص فقط یک نقطه پیدا
میشه! کاری که انجام دادیم این بوده که هر نقطه از خم رو فقط با «یک» پارامتر مشخص کردیم که خیلی کار خوبیه ولی متاسفانه یه مشکلی هست و اون اینه که ما با این کار فقط مختصات نقاطی که روی خم مورد نظر ما هستند رو تونستیم با یک پارامتر مشخص کنیم و برای بیان مختصات سایر نقاط فضا مجددا به پارامترهای بیشتری نیاز داریم( 🙁 ).
اینجا بود که شخصی به نام پیانو (Giuseppe Peano) تصمیم گرفت که خمی بسازه که کل فضا رو پر کنه، اون موقع میشه مختصات هر نقطه از فضا رو فقط با یک پارامتر مشخص کرد و این یعنی عالی!
راستش پیانو این ایده رو از کانتور ریاضیدان بزرگ آلمانی گرفته بود. چون که کانتور قبلا نشون داده بود که: «تعداد (بیشمار) نقاط در یک بازه‌ی بسته برابر با تعداد تقاط در هر فضا با بعد محدوده». این جوری شد که خم‌های فضا پر کن توسط پیانو ساخته شد و به خاطر همین به خم‌های که فضاهای ۲ بعدی (صفحه) رو پر میکنند معمولا میگند خم پیانو. یک سال بعد از مطرح کردن خم‌های فضا پر کن توسط پیانو، دیوید هیلبرت
خم هیلبرت، یک خم صفحه پرکن
خم‌های فضا پرکن مختلفی رو ارائه داد که فکر کنم این موضوع با کار هیلبرت کامل شد تقریبا! نکته این بود که ریاضیدانها فکر میکردند چیزهایی ساختند که واقعا توی دنیا واقعی وجود ندارند و این از ذهن ناب بشر اومده. ولی همین جوری که مندلبرو گفت (ابتدای پست) ریاضیدانها فقط چیزی رو دیده بودند که برای مدت‌ها‌ی طولانی در طبیعت دیده شده بود! به این صفحه نگاه کنید، فرکتالهای مختلفی با بعد (ناهمواری)های مختلفی رو شامل میشه، از جمله اونهایی که بعدشون صحیح و فضا پر کن هستند!
فرکتالهای تصادفی:
مراحل ساخت مثلث سرپینسکی تصادفی
به برف‌دانه‌ی کخ برگردیم در قسمت اول. مطابق شکل چند مرحله از ساخت این برفدانه رو می‌بینیم. شیوه ساخت این فرکتال ابتدایی آسونه و قاعده هم داره! یعنی اینکه هر بلایی که سر یک ضلع بیاد سر بقیه اضلاع هم میاد و از اون مهم‌تر هر مرحله‌ای که برای ساخت پیش میریم از «یک» قاعده فقط پیروی میکنیم (اینکه هر پاره‌خط به ۳ قسمت مساوی تقسیم میشه، قسمت وسط دور ریخته میشه و دو قسمت هم اندازه با یکی از اون سه قسمت به شکل اضافه میشه.) در حقیقت ما با یک فرایند کاملا منظم، یک شکل عجیب (در نگاه اول!) رو میسازیم. در قسمت اول محیط و مساحت این فرکتال به راحتی حساب شد و همین طور با استفاده از رابطه‌ای که توی قسمت دوم برای محاسبه بعد (ناهمواری) ارائه شد، بعد این فرکتال log۴/log۳ = ۱/۲۶ به دست میاد! پس این یک فرکتال منظم هست. حالا اگر اینقدر منظم پیش نریم چه اتفاقی می‌افته؟ برای مثال اگر در مرحله‌ی اول که دو قسمت برابر رو اضافه میکنیم و یک مثلث جدید میسازیم سر مثلث رو به بالا باشهو برای مرحله‌ی بعد سرمثلث ها رو به پایین باشه و همین جوری یک در میون عوض بشه اون موقع شکل از این نظم خارج میشه و دیگه توی هر مرحله با یک قاعده سر و کار نداریم. میشه باز بی نظمی رو بیشتر کرد. این دفعه هر مرحله رو که میخوایم انجام بدیم سکه بندازیم مثلا، اگر شیر اومد سر مثلث رو به بالا باشه و اگر خط اومد سر مثلث رو به پایین. با این کار (که هر مرحله مطابق با یک قاعده‌ی تصادفی ما فرکتال رو میسازیم) در نهایت به یک فرکتال غیر ابتدایی میرسیم که دیگه واقعا ساده نیست، اسم این فرکتال، فرکتال تصادفیه!
نمونه‌هایی از برف‌دانه‌ی تصادفی کخ
فرکتال های تصادفی بیشتر به شکل‌هایی که توی طبیعت هستند نزدیکند تا فرکتالهای غیر تصادفی. ولی خب یک سری پیچیدگی ها به این دسته از فرکتالها به خاطر تصادفی بودنشون اضافه میشه که بررسی کامل اونها از حوصله شما و سواد من احتمالا خارجه و نیاز به نظریه‌های پیشرفته احتمالات داره. با این وجود فقط به چند نکته درباره‌ی این دسته از فرکتالها اشاره میکنم؛
اول اینکه این‌دسته از فرکتال ها دیگه دقیقا خودمتشابه و قطعه های کوچیک‌تر دقیقا مثل کل شکل نیستند! با این وجود شباهت زیادی هنوز وجود داره. به همین خاطر میگند فرکتالهای تصادفی، به طور آماری خودمتشابه هستند. حقیقت هم اینه که واقعا طبیعت رو باید آماری بررسی کرد، خوشبختانه یا متاسفانه!
از طرف دیگه به خاطر اینکه فرکتالهای تصادفی به طور آماری خودمتشابه هستند دیگه محاسبه‌ی بعد (ناهمواری) برای این دسته از فرکتالها به این راحتی ها نیست! بعد یک فرکتال غیر تصادفی با بعد همون فرکتال ولی با ساختار تصادفی ممکنه برابر یا نابرابر باشه.
مثلا برف‌دانه‌ی کخ و برف‌دانه‌ی تصادفی کخ هر دو داری بعد log۴/log۳ = ۱/۲۶ هستند ولی لزوما در مورد بقیه فرکتالها این برابری وجود نداره!
نکته: فرکتالهای غیرمعمولی تصادفی نیستد!
درسته که فرکتالهای تصادفی شکل عجیب و غریبی دارند ولی هر فرکتالی که شکلش برای ما عجیب به نظر برسه لزوما تصادفی نیست؛ ممکنه با یک قاعده‌ی منظمی ساخته شده باشه که به نظر ما تصادفی برسه! کافیه که شکل تقارن خوبی نداشته باشه یا اینکه قاعده‌ی ساختش یکمی پیچیده باشه اون موقع به راحتی میشه گول خورد! پس مواظب باشید که گول ظاهر فرکتالها رو نخورید 😀 مثلث و فرش سیرپینسیکی می‌تونند با یک شکل غیرعادی ظاهر بشند، درصورتی که با یک قاعده‌ی کلی ساخته شدند. هر چند که این‌ها تقارن خوبی ندارند ولی تصادفی نیستند!
بازی آشوب:
فرض کنید یک مثلث با رئوس A , B , C داریم. یک نقطه‌ی دلخواه داخل این مثلث انتخاب میکنیم و اسمش رو میذاریم نقطه‌ی 0. بعد تاس می‌ریزیم و بسته به این که عددی که اومدی چنده به طرف یکی از رئوس حرکت میکنیم، جوری که مثلا اگر عدد ۱ یا۲ اومد به سمت راس A، اگر عدد ۳ یا ۴ اومد به سمت راس B و اگر ۵ یا ۶ اومد به طرف راس C حرکت میکنیم. فرض کنید که عدد تاس ۲ هست، پس به طرف راس A حرکت میکنیم و بین نقطه‌ی 0 و راس A نقطه‌ی 1 رو مشخص میکنیم. (خط واصل نقطه‌ی 0 و راس A رو رسم میکنیم و وسط این پاره خط رو 1 نام گذاری میکنیم.) مجددا تاس می‌ریزیم و بسته به این که چه عددی بیاد دوباره مثل قسمت قبل به سمت راس مطلوب میریم و بین اون راس و نقطه‌ی 1 رو 2 نام گذاری میکنیم. برای مثال اگر توی این مرحله عدد تاس ۵ باشه باید نقطه‌ی 1 رو به راس C وصل کنیم و وسط این پاره خط رو 2 نام گذاری کنیم. اگراین کار رو همین جوری ادامه بدیم نقاط مختلفی داخل مثلث ایجاد میشه که فعلا به ظاهر چیز به دردبخوری نیستند! ولی اگر این کار رو ۱۰۰ بار یا ۱۰۰۰ بار یا ۱۰۰۰۰۰ بار انجام بدیم به یک شکل آشنا میرسیم، به شکل نگاه کنید:
شکل حاصل پس از ۱۰۰۰۰۰بار پس از ۱۰۰۰ بار پس از ۱۰۰ بار
خب این فوق‌العاده جالبه! ما با استفاده از یک فرایند کاملا تصادفی (شانسی) به یک چیز کاملا مشخص رسیدیم! این برای شما عجیب نیست؟ ما کاملا الله بختکی تاس ریختیم و نقطه گذاشتیم و رسیدیم به مثلث سیرپینسکی! بازی آشوب اثبات تحلیلی خوبی داره که به نظرم گفتنش اینجا ممکنه حوصله‌تونو سر ببره!
بازی آشوب به ما نشون داد که یک سیستم دینامیکی تصادفی می‌تونه منجر به نتایج مشخصی بشه و به عبارت دیگه از دل یک فرایند کاملا نامنظم، نظم به وجود میاد! نکته‌ی قابل توجه اینه که اگر ما شانس (تاس ریختن و انتخاب تصادفی هر راس) رو کنار بذاریم و از یک فرایند مشخص استفاده کنیم، مثلا ABCABCABC…اون موقع دیگه به مثلث سیرپینسکی نمی‌رسیم! چیزی که خیلی جالب‌تره اینه که هرشکلی (چه فرکتالی چه غیرفرکتالی) رو میشه به کمک یک بازی آشوب یا یک بازی آشوب تعمیم یافته ساخت!
تبدیل آفین – حافظ توازی خطوط
توی بازی آشوب تعمیم یافته از تبدیلات آفین استفاده میشه. (تبدیلات آفین تبدیلاتی هستند که خطوط موازی هر شکل رو پس از تبدیل موازی نگه می‌دارند). هر حرکت توی بازی آشوب تعمیم یافته یک تبدیل آفینه و شما به کمک این بازی میتونید هر شکلی رو که دوست دارید بسازید! به همین سادگی، به همین خوشمزگی! مثلا با یک بازی آشوب تعیمیم یافته با و استفاده از چهارتا تبدیل آفین میشه یک سرخس ساخت!
این پست رو با اشاره به یک قضیه به پایان می‌برم؛
قضیه‌ی کلاژ: «برای هر شکلی با هر هندسه‌ای می‌توان یک بازی آشوب ساخت که آن شکل را تولید کند.».
این قضیه (و بازی آشوب) پل بین بی‌نظمی و نظم هست. شما از هرج و مرج به نظم و از نظم میتونید به هرج و مرج برسید! از کاربردای دیگه‌ی این قضیه فشرده سازی تصاویره. فرض کنید که شما یک فایل تصویری حجیم رو می‌خوایید که برای کسی ایمیل کنید و اینترنت خوبی ندارید یا اینکه می‌خوایید از یک شبکه‌ی ضعیف ردش کنید؛ کافیه به جای تصویر، با استفاده از قضیه کلاژ، بازی آشوبی که اون رو تولید میکنه (چند خط کد که کامیپوتر براتون میسازه) بفرستید و شخصی که این بازی رو دریافت میکنه با اجرا کردنش می‌تونه به تصویر مطلوب برسه!
پیشنهاد میکنم فیلم «آشوب (۲۰۰۶)» رو ببینید!فیلم علمی نیست ولی توش در مورد بی‌نظمی و اینا حرف زده میشه که ممکنه براتون جالب باشه! به نقل از ویکی پدیا: «داستان درباره‌ی یک گروه سارق مسلح است که به بانکی حمله کرده و از حساب فردی سرقت میکنند. پلیسانی که به دنبال این افراد هستند عبارتند از یک مامور ابقا شده (زیرا سارقان بانک فقط چنین بازرس معلق شده‌ای را قبول دارند، با بازی جیسون استاتهام) و دستیارش که فرزند یک پلیس اسطوره‌ای است. دستیار متوجه می شود که سارقان به طور رمزی از نظریه آشوب حرف می‌زنند و با دقت بیشتری تمام مدارک را بررسی میکند تا به این نتیجه میرسد که باید به دنبال چه افراد سابق‌داری برود. او متوجه میشود هدف آنها سرقت یک میلیارد دلار پول بوده که از طریق ویروس‌های کامپیوتری دزدی شده است …»
معمولا کتاب هایی که بیانگر زندگی افراد تاثیر گذار هستند رو دوست دارم، به شرطی که نویسنده‌ش قصد کاسبی نداشته باشه! از طرفی خیلی وقته که سراغ فیزیک اومدم، برای همین سعی کردم کتاب‌هایی که انتخاب میکنم معطوف به فیزیکدان ها و ریاضیدان ها باشه. کتاب «دنیایی که من می بینم» نوشته آینشتین رو خوندم جالب بود. یک سری کتاب دیگه هم هست که فیزیکدان ها نوشته باشند: «جز و کل» نوشته‌ی هایزنبرگ، «زندگی چیست؟» نوشته‌ی شرودینگر و … همین طور چند تا فیلم خوب هم پیدا کردم؛ یکیشون «ذهن زیبا» داستان زندگی جان نش ریاضیدان برنده نوبل اقتصاد بود. یکی هم «آینشتاین و ادینگتون» که ماجرای نسبیت رو به تصویر میکشید و آخری هم فیلم «فاجعه‌ی چلنجر» ماجرای انفجار شاتل چلنجر و بررسی اون فاجعه توسط ریچارد فاینمن بود! دیدن این سه تا فیلم رو به علم (به ويژه فیزیک) دوستان پیشنهاد میکنم.
اخیرا کتاب «حتما شوخی میکنید آقای فاینمن!» Surely You’re Joking, Mr. Feynman!”: Adventures of a Curious Characterرو خوندم! فوق العاده بود! ماجرای زندگی فاینمن به روایت خودش! اطلاعی در مورد ترجمه‌ی کتاب ندارم ولی شنیدم که این کتاب با مشخصات: «م‍اج‍راج‍وئ‍ی‌ه‍ای فیزیکدان قرن بیستم ریچارد ف‍ای‍ن من/ رال‍ف گ‍ی‍ل تون؛ م‍ت‍رج‍م‍ی‍ن ت‍وران‍دخ‍ت ت‍م‍دن (م‍ال‍ک‍ی)، اردوان م‍ال‍ک‍ی/ مشخصات نشر: ت‍ه‍ران: علم، ۱۳۸۲» خیلی وقت پیش ترجمه شده (من توی بازار ترجمه شده ش رو ندیدم تاحالا، اگه هم باشه احتمالا هرس شده!) [دانلود کتاب]
فاینمن برنده جایزه نوبل فیزیک و همین طور جایزه های مهم دیگه ای هست و بیان اینکه فاینمن جزو ده فیزیکدان بزرگ کل تاریخه جفا نیست؛ اما چیزی که سبب شده تا فاینمن اینقدر محبوب بشه هیچ‌کدوم از این ها نیست! فاینمن جذاب و دوست داشتنی بود و هست چون که یک معلم فوق العاده بود و شخصیت جالبی داشت. درس گفتارهای فاینمن کماکان از بهترین دوره های فیزیکه! در مورد بقیه آثار فاینمن به صفحه‌ی ویکی پدیا فاینمن رجوع کنید! کتاب «حتما شوخی میکنید آقای فاینمن!» ماجرای زندگی فاینمن رو از دوران کودکی تا زمانی که جایزه نوبل رو می‌گیره شامل میشه (بقیه‌ی زندگی فاینمن توی کتاب «چه اهمیتی داره که مردم چی فکر میکنند؟» نوشته شده! اونم کتاب خوبیه، ولی به جذابیت این نیست!). «حتما شوخی میکنید آقای فاینمن!» جزو اون دسته از کتاب‌هاییه که واقعا جذابه، جوری که شما همه‌ش دوست دارید ببینید بعدش چی میشه! قول میدم خوندن این کتاب حسابی هیجان زده تون کنه!
توی پست قبلی مقدمهٔ کوتاهی دربارهٔ فرکتالها و اینکه هندسهٔ توصیف گر طبیعت یک هندسهٔ فرکتالی هست یک توضیحاتی دادم. صرف نظر از فرکتالهای ساختگی (فرکتال‌هایی که ریاضیدانها معمولاً می‌سازند مثل برفدانه کخ) به هر طرف که نگاه کنید میتونید یک فرکتال طبیعی رو مشاهده کنید. سر سفره «کلم ترشی (یا بروکلی)»، کنار ساحل «خطوط ساحلی»، «برگ درخت»، «شش‌ها (ریه)»، «رعد و برق» و … خب این فرکتالها چه ویژگی دارند؟ فرکتالها ۳تا ویژگی خاص دارند که بهشون اشاره میکنم:
۱) فرکتال ها خودمتشابه هستند!
یک گل‌کلم یا کلم بروکلی رو در نظر بگیرید؛ اگه با یک چاقوی تیز، یکی از گلچه‌های گل کلم رو ببرید و جداگانه بهش نگاه کنید؛ چیزی که به نظر می‌رسه یک گل کلم کامله، اما کوچکتر! اگه باز برش بدید، دوباره، دوباره، دوباره، …، شما گل‌کلم‌های کوچکتری بدست می آرید. به تجربه دیده شده که بعضی از اشکال این خاصیت عجیب رو دارند، یعنی هر قسمت از شکل مثل کل شکله با این تفاوت که اندازه کوچکتری داره. به این خاصیت خود متشابهی میگند. توی برفدانه کخ هم اگر قسمتی از شکل روجدا کنید می‌بینید که دقیقاً مثل کل شکله و این تشابه هیچ وقت قطع نمیشه و همین‌طور ادامه داره! ممکنه که شما بگید یک خط راست هم اگر تکه‌تکه بشه باز هم شکل قسمت اول رو داره پس فرکتاله! اولا اشتباه نکنید یک ویژگی شرط لازمه نه کافی! در ثانی معمولاً منظور ما از خود متشابه بودن، خود متشابه بودن در یک الگوی غیرعادی و غیربدیهیه!
کلم بروکلی، موجودی با ساختار فرکتالی – نمونه یک موجود خودمتشابه 🙂
۲) فرکتال ها دارای بعد غیرصحیح هستند!
همیشه ما با ابعاد صحیح روبه رو بودیم! مثلاً میگیم خط موجودی ۱بعدی، مربع یک شکل ۲ بعدی و مکعب یک شکل ۳بعدیه (ابعاد اقلیدوسی، همه هندسه ای که ما اول یادمی‌گیریم اقلیدوسی هست)! حتی فضا-زمان در نسبیت ۴ بعدیه و نه مثلاً ۳/۴۵ بعدی! همین‌طور نظریه‌هایی مثل ریسمان هم که فراتر از ۳ بعد رفته‌اند هنوز تعداد بعد توجیه کننده‌شون صحیحه مثلاً ۱۱ نه ۱۱/۲۴! ممکنه بپرسید این غیرصحیح بودن بعد فرکتالها دیگه چه صیغه آیه! پس اجازه بدید که «بعد» رو تعریف کنیم. به این شکل نگاه کنید:مطابق شکل، فرض کنید که از یک قطعه شکل سمت چپ میخوایم شکل بزرگتر (با بزرگنمایی ۳ برابر) رو درست کنیم؛ برای این کار به چند قطعهٔ هم اندازه با شکل سمت چپ نیاز داریم؟ برای خط معلومه، اگه همون خط قبلی سه برابر بشه (طولش) شکل جدید حاصل میشه، پس به ۳قطعه هم‌اندازه نیاز داریم. برای مربع هم مثل خط می‌مونه با این تفاوت که هم طولش ۳ برابر میشه و هم عرضش (به شکل نگاه کنید) پس ما به ۹ قطعهٔ هم‌اندازه نیاز داریم؛ و وقتی هم که مکعب میشه، بزرگنمایی هم برای طول و هم برای عرض و هم برای ارتفاع اتفاق افتاده و این دفعه به ۲۷ مکعب نیاز داریم. (به شکل نگاه کنید!) خب این عددهای به دست اومده رو دوباره نگاه کنیم. من توی یک جدول می‌نویسمشون؛
فکر کنم رابطه ای که بین این اعداد هست رو فهمیدید: ۳ و ۹ و ۲۷! یک رابطه که یک تصاعد هندسی هست رسما:
تعداد قطعه هم‌اندازه برای ساخت شکل جدید = بزرگنمایی به توان بعد شکل
از روی این رابطه با استفاده از لگاریتم گیری از طرفین میشه بعد را بدست اورد، یعنی «بعد» میشه:
بعد = لگاریتم تعداد قطعه هم‌اندازه برای ساخت شکل جدید تقسیم بر لگاریتم بزرگنمایی
اگر n تعداد قطعات و m بزرگنمایی باشه:
ما در حقیقت یک تعریف از بعد ارائه کردیم. بعد خودمتشابهی! خب با این تعریف بریم سراغ محاسبه‌ی ابعاد فرکتال ها؛ فرض کنید یک برفدانه به این شکل میسازیم که مثل شکل قبل از یک مربع با (با بزرگنمایی ۳) یک مربع بزرگتر که شامل ۹ مربع هم اندازه با مربع اولیه هست به وجود میاد.
حالا مربع‌های کوچیک بالایی، چپی، راستی و پایینی مربع کوچیک مرکز رو مطابق شکل حذف میکنیم. اگر همین روند رو ادامه بدیم یک برف دانه ساخته میشه! (n روی شکل منظور مرحلهٔ ساخت شکله با n تعداد قطعات کوچکتر اشتباه نگیرید!)
بعد این برفدانه همین جور که می‌بینید یک عدد بین ۱ و ۲ هست! و اینجاست که دیگه بعد، یک عدد صحیح به دست نمیاد. مندلبرو اسم این بعد رو «ناهمواری» میذاشت که تعریف جالب‌تریه مخصوصاً برای اجسامی که دارای برآمدگی هم باشند! چیزی که الان مطرح میشه اینه: معنی این ۱/۴۶۴۹۷ چیه؟ ما میدونیم که یک موجود دو بعدی یعنی اینکه توی صفحه جا میشه و یک موجود یک بعدی یعنی یک خط! پس این عدد بین ۱ و ۲ یعنی چی؟! این به همون ماجرا برمیگرده که وقتی ساختن این شکل رو تا بینهایت ادامه بدیم با یک شکل پر از لبه رو به رو میشیم. در ضمن یادآوری کنم که این فقط یک عدد هست! هر چند مفهوم قشنگی پشتش هست ولی یک عدده که ناهمواری شکل رو مطرح میکنه! به هر حال کاری که ریاضیدانها بکنند قرار نیست واقعاً واقعی باشه 🙂
یک نکتهٔ دیگه اینکه هیچ وقت مطرح نمیشه که «اندازهٔ یک فرکتال» یا «متوسط اندازه یک فرکتال» چقدره بلکه همیشه ما با همین عدد که بعد غیرصحیح یا ناهمواری فرکتال هست کار میکنیم! شما امروز میتونید یه عدد به عنوان ناهمواری به کامپیوتر بدید و اون در کسری از ثانیه یک شکلی با اون ناهمواری رو براتون تولید کنه یا یک شکل دلخواه رو با اون ناهمواری بازتولید کنه! به همین سادگی! تقریباً هندسه فرکتالی پیشرفت زیادی کرد چون سر و کله کامپیوتر پیدا شد. در مورد این توی قسمت آخر بیشتر توضیح میدم!
خب بریم سراغ یه مثال دیگه؛ مثلث سیرپینسکی فرض کنید یک مثلث (متساوی الاضلاع برای قشنگی بیشتر!) داریم. وسط هر ضلعش رو مشخص میکنیم و بهم وصلشون میکنیم تا ۴ تا مثلث جدیدتر ساخته بشه. مثلث وسط رو دور می‌ریزیم. این کارو تا ابد انجام میدم. الان ما یک فرکتال داریم که بعدش ۱/۵۸ هست: این عدد بیشتر از عدد قبل هست، فکر کنم شکل خودش نشون میده که ناهمواری مثلث سیرپینسکی از برف دانه ای که ساختیم بیشتره!
شیوه ایجاد مثلث سیرپینسکی
۳) بعد خود متشابهی فرکتالها از بعد توپولوژیک اونها بیشتره!
این که بعد توپولوژیک دقیقا چیه، چیزیه که از حوصله‌ی این پست خارجه! شاید جداگونه در موردش بنویسم ولی فعلا به عنوان آشنایی، همین جوری که ما بعد خود متشابهی رو به صورت تقسیم دوتا لگاریتم تعریف کردیم میشه یه جور دیگه با ادبیات و شاید بهتره بگم ریاضیات مناسب‌تری بعد رو تعریف کرد و اون موقع یک سری عدد جدید به دست میاریم. این اعداد در مورد فرکتالها جوریه که با مقدار خودمتشابهی شون فرق دارند و کمتر از اونها هستند مثلا بعد توپولوژیکی مثلث سیرپینسکی ۱ و بعد خودمتشابهیش (همین جوری که حساب کردیم) ۱/۵۸۵ هست که ۱/۵۸۵ > ۱!
خب جمع بندی کنیم؛ فرکتال ها دارای سه ویژيگی: ۱) خودمتشابهی ۲) دارای بعدخودمتشابهی غیرصحیح و ۳) بعدتوپولوژیکی کمتر از بعد خودمتشابهی هستند! پیشنهاد میکنم ویدیو زیر رو حتما ببینید؛ سخنرانی مندلبرو (پدر هندسه فرکتالی) در تد هست. درست چندماه بعد از این سخنرانی، مندلبرو، پیرمرد مهربان دنیای فرکتال ها به خاطر سرطان لوزالمعده ای که داشت از دنیا رفت. روحش قرین آرامش باد!
اگر از دنبال‌کنندگان سیتپور هستین لابد با 
مشخص کردن هر نقطه از فضا کافی بود فاصله‌ی فضایی اون نقطه از مبدا (همون x, y, z) رو بدونیم. یا مثلا همه‌ی دانشجوهای فیزیک می‌دونند (یا باید بدونند!) زمانی که توی فضای ۳ بعدی با مسئله‌ی نیروی مرکزگرا مواجه میشند بهتره که از دستگاه مختصات کروی استفاده کنند. توی دستگاه کروی از دو تا زاویه و یک فاصله‌ی شعاعی استفاده میشه تا مختصات هر نقطه از فضا مشخص بشه. شاید رفتن از دستگاه دکارتی به کروی مسئله رو راحت‌تر کنه ولی چیزی که فرق نمی‌کنه اینه که برای توصیف هر نقطه در فضا چه در دستگاه دکارتی و چه در فضای کروی به ۳ تا پارامتر نیاز داریم و تعداد پارامترها تغییر نمی‌کنه! (اگر الان دارید به 
