ترجمه؛ سيدايمان ضيابري

يکي از مهمترين ويژگي هاي علم اين است که پاسخ هر پرسشي به وجودآورنده پرسش هاي بسيار ديگر است. شايد همين عامل باعث زايندگي و بي پايان بودن علم است. در اينجا نگاهي داريم به چند پرسش بنيادين که هنوز پاسخ نهايي آن يافت نشده است.
---
1- کارکرد جهان چگونه است
ما هم اکنون به جايي رسيده ايم که بدون حل کردن برخي از پرسش ها و مسائل فيزيک، نمي توانيم در مورد حقايق و پديده هاي به راستي جالب و شگفت انگيز ديگر فيزيکي، اطلاعات بيشتري کسب کنيم. براي درک مفاهيمي مثل خاستگاه جهان، سرنوشت نهايي سياهچاله ها يا امکان سفر در زمان، لازم است که بدانيم کارکرد جهان چگونه است.
هم اکنون يک ايده خوب در مورد واحد هاي احتمالي سازنده ماده در ذهن داريم. علم فيزيک در قرن بيستم بر پايه دو انقلاب مکانيک کوانتومي (تئوري ماهيت جسم) و نظريه معروف اينشتين در مورد فضا، زمان و گرانش (معروف به نسبيت) بنا شده است. اما وقتي به دو تعريف نهايي از واقعيت دست پيدا مي کنيم، ولي تنها يک واقعيت را مي بينيم، راضي کننده نيست. تلاش براي يگانه سازي اين دو نظريه، موانع فني و مفهومي دشواري را بر سر راه بهترين نظريه پردازان فيزيک در طول دهه هاي گذشته قرار داده و آنان را به چالش کشيده است. براي مثال از آنجايي که گرانش، خود را به شکل عامل ايجاد واپيچش در فضاي چهاربعدي زمان-مکان نشان مي دهند، به کارگيري نظريه کوانتومي در مورد گرانش مشکل ساز مي شود. از يک جهت، اين موضوع به معناي آن است که به کار گيري اصل عدم قطعيت هايزنبرگ در مورد فرضيه هاي موجود در مورد فضا- زمان مشکل ساز خواهد بود. اما ممکن است اين ترديدها، يک معناي ديگر هم داشته باشد که به معناي وجود يک مشکل در رويکرد ما نسبت به قضيه است. شايد ما نبايد مفهوم گرانش را به تنهايي بررسي کنيم. بيشتر تلاش ها براي يگانه سازي نظريه هاي موجود، به تلفيق گرانش با نيروهاي ديگر و همچنين ديگر ذره هاي ريز اتمي و ايجاد يک ساختار نظري مربوط مي شود. اين ايده يي است که برخي از فيزيکدان ها آن را «نظريه همه چيز» مي خوانند.
نظريه جديدي که در حال حاضر مطرح مي شود، نظريه «ابر تار» است. اين نظريه ذره هاي کوچک شبه نقطه يي را بررسي مي کند. ديدگاه ديگري که وجود دارد و به تئوري «ام» (M) مشهور است، هنوز کمي پيچيده تر و مبهم تر به نظر مي رسد. اين نظريه رويه يي را در نظر مي گيرد که در ابعاد وسيع تر فضا حرکت مي کند. اما مرحله و روند پيشرفت در اين نظريه را در بهترين حالت، هنگامي مي توان بهتر دريافت که بدانيم که هيچ کس به درستي نمي داند وجود حرف «M» در نظريه « ام»، دقيقاً به چه معنا است و چه واژه يي را تداعي مي کند. هنوز راه درازي در پيش است...
2- آيا «ضدگرانش » اينشتين به راستي اشتباه بود
اينشتين، ضدگرانش را بزرگ ترين اشتباه خود مي شمارد. اما شايد هم او با اضافه کردن ضدگرانش با نام عبارت کيهان شناسي به فرضيه نسبيت خود کار درستي انجام داده است. اين شرط اضافه در فرضيه نسبيت، به فضا يک خاصيت دافعه يي نسبت مي دهد، به اين معنا که فضا خودش را دفع مي کند، به اين معنا که فضا گسترده تر مي شود و اين روند افزايش و گسترش هر چه سريع تر ادامه مي يابد. اينشتين اين عامل را اضافه کرد، چرا که تصور مي شود جهان هستي ثابت است و بي حرکت. در نتيجه نياز بود تا نيرويي وجود داشته باشد و قدرت جاذبه جهان را موازنه و متعادل کند تا مواد موجود در جهان، در خود فرو نريزد (رمبش نکند). اما در دهه 1920، «ادوين هابل» کشف کرد که کيهان در حال گسترش است. در نتيجه اينشتين نيز «ثابت کيهان شناختي» را پس گرفت،
اما به نظر مي رسد اين ايده را نبايد کنار گذاشت. نظريه کوانتومي ميدان ها، پيش بيني مي کند که حتي فضاهاي خالي نيز انباشته از انرژي است که اثرهاي گرانشي آن با نيروهاي ضدگرانشي اينشتين همخواني کامل دارد. با اين نظريه نمي توان به درستي دريافت که شدت نيروي دافعه چقدر است، اما مي توان مقدار تقريبي آن را برآورد کرد.
تقريباً 10 سال پيش، اخترشناسان متوجه شدند که سرعت گسترش جهان در حال افزايش است و در نتيجه مقدار تجربي را به آن نسبت دادند. فيزيکدان ها و اخترشناسان در عين ناباوري و سرگرداني دريافتند، قدرت اين نيرو 10به توان 120 بار از مقدار پيش بيني شده قبلي کوچک تر است.
اين نتيجه عجيب است. اگر تعادل برقرار شده ميان جاذبه و دافعه، برابر با صفر بود، يکي از قوانين عميق و مهم طبيعت در موردش صدق مي کرد اما يک عدد غيرصفر را که در مقايسه با اين نظريه تا اين اندازه کوچک است، دشوار بتوان تعبير کرد.

اوضاع وقتي وخيم تر مي شود که بدانيم کيهان شناسان به ايده يي علاقه مند هستند که نيروي دافعه بسيار قوي و بزرگي در اولين مرحله تفکيک پس از انفجار بزرگ يا Big Bang را مطرح مي کند، چرا که اين نظريه با سناريوي جذاب و محبوب مربوط به تورم جهان هماهنگ است. طبق اين نظريه، حجم جهان پس از تولد و شکل گيري، تحت تاثير يک نيروي ضدگرانش شديد به شدت افزايش يافت.
در نتيجه اگر بخواهيم دليل و برهاني بر اين افزايش حجم سريع و روزافزون بيابيم، به نظريه يي نياز داريم که توضيح دهد چرا ضدجاذبه در ابتدا بسيار قوي و شديد بود، سپس با شتاب و سرعت کاهش مقدار پيدا کرد و سپس به حوالي صفر رسيد. يک احتمال اين است که نيرو بر اثر گذشت زمان، محو مي شود. احتمال ديگر مي تواند اين باشد که نيرو در بخش هاي مختلف فضا تغيير مي کند و در نتيجه ممکن است در وراي قدرت ديد دوربين ها و تلسکوپ هاي ما، بسيار بزرگ تر از آنچه اينجا است، باشد. اگر اين گونه باشد، هر جسمي در آن منطقه، با سرعت در کهکشان ها و ستاره هاي ديگر پخش و متلاشي مي شود و در نتيجه اصلاً هيچ ناظري نمي تواند حضور داشته باشد تا اين نيرو را اندازه بگيرد. آنچه که ما نياز داريم، نظريه يي است که قدرت نيروي ضدجاذبه را به صورت بخشي از تفسير کامل همه نيروهاي موجود در طبيعت براي ما تعريف کند. متاسفانه به نظر نمي رسد که نظريه هاي موجود مثل نظريه ابرتار يا نظريه «ام»، اين ميزان خاص را مشخص کند و مقدار کم آن همچنان ناشناخته و اسرارآميز خواهد بود. در نتيجه بايد دوباره به پرسش يک رجوع کنيم،
3- چرا ما در سه بعد زندگي مي کنيم
آيا اينکه فضاي اطراف ما سه بعد دارد، اتفاقي است يا بايد برايش دنبال يک تعبير عميق تر بود؟ بعضي از نظريه پردازان معتقدند که فضاي به وجود آمده بر اثر انفجار بزرگ، تنها به صورت اتفاقي از سه بعد تشکيل شده است و ممکن است قسمت هاي ديگري از جهان هستي وجود داشته باشند که ابعادشان متفاوت باشد.
مثلاً هيچ دليل منطقي نمي توان يافت که چرا مثلاً جهان فقط دو بعد ندارد. چندصد سال پيش، ادوين آبوت اثري به نام «سطح آباد» (flat land) نوشت که در آن جهاني دوبعدي را تصوير کرد. جهاني که در آن اجسام و موجودات حيات خود را تنها روي «سطح» ادامه مي دادند. اما فيزيک جهان دوبعدي با فيزيک جهان ما بسيار متفاوت خواهد بود. براي مثال در فضاي دو بعدي، امواج به شکل انتشار در فضاي سه بعدي، پخش نمي شوند و باعث ايجاد انواع مشکلات در سيگنال رساني و انتقال اطلاعات مي شوند و نيز از آنجايي که زندگي آگاهانه، به فرآيند انتقال درست و صحيح اطلاعات بستگي دارد، در نتيجه اين تفاوت ها براي اينکه مشاهدات ما را تنها در حد شناخت مناطق سه بعدي محدود نگاه دارند، کافي خواهند بود.
تصور کردن فراتر از سه بعد نيز مشکلات مختلفي به همراه خواهد داشت. در چنين حالتي، منظومه هاي سياره يي غيرممکن مي شوند، چرا که قانون عکس مجذوري جاذبه به صورت قانون عکس با توان هاي بالاتر در مي آيد. در نتيجه به نظر مي رسد که جهان سه بعدي تنها جهاني است که وجود دارد و فيزيکدان ها مي توانند درباره اش بنويسند. اما نکات ريزي وجود دارد که باعث مي شود اين فرضيه با شک و ترديد همراه باشد. اما شايد اين نتيجه مبتني بر فرض هاي نادرستي است.
شايد فضا سه بعدي نيست و تنها اين گونه براي ما نشان داده مي شود. شايد فضا 9 يا 10 بعد دارد و حتي ابعاد بيشتر، برخي از نظريه هايي که قصد يکپارچه سازي نيروهاي طبيعت را دارند مانند فرضيه ابرتار، امکان وجود تعداد ابعاد بيشتري نسبت به آنچه که ما مي بينيم را مطرح مي کنند.
دليل شان نيز اين است که بسياري از معادلاتي که براي توصيف وضعيت موجود به کار مي روند، با در نظر گرفتن تعداد بيشتر ابعاد، نتايج بهتري مي دهند، در نتيجه نمي توان آن را کاملاً بي معني دانست. ابعاد بيشتر فضا، در حل بسياري از مشکلات و مسائل حل ناشدني فيزيک ريشه دارند. براي مثال اينشتين براي توصيف کردن گرانش، به يک بعد اضافي نياز داشت و آن، زمان بود. و تئودور کالوتزا نيز يک بعد به سه بعد اثبات شده اضافه کرد چرا که مي خواست نظريه هاي جاذبه را با نظريه ماکسول در مورد الکترومغناطيس، يکپارچه سازد.
مطمئناً ما نمي توانيم بعد چهارم را ببينيم اما اين هم احتمالاً دليلي دارد. اين بعدهاي اضافه، بسيار کوچک و فشرده هستند. يک لوله پليمري آب را از دور در نظر بگيريد. اين لوله مانند يک خط دراز و مارپيچ به نظر مي رسد. اگر از فاصله نزديک تر به آن نگاه کنيد، به شکل تيوب يا لوله ديده مي شود. اما در حقيقت آنچه را که يک نقطه در نظر گرفتيم، يک سطح دايره يي شکل کوچک است که همراه لوله چرخيده است. به طور مشابه، شايد آنچه را که ما يک نقطه در فضاي سه بعدي مي پنداريم، دايره يي کوچک است که پيرامون بعد چهارم مي چرخد، اما آنقدر کوچک است که ديده نمي شود. در نتيجه تصور کردن ابعاد بسيار زيادتري که اين گونه در فضا پنهان شده اند، به راحتي ممکن است. اما متاسفانه نظريه ابرتار هنوز دقيقاً سه بعد گشوده شده را تاييد نمي کند در نتيجه تفسيري براي جهاني که آن را احساس مي کنيم، ارائه نمي کند.
اما براي تصور کردن يک بعد جديد، راه هاي ديگري هم هست. فرض کنيد نيروهاي فيزيکي بتوانند نور و جسم را به يک سطح سه بعدي يا رويه محدود کنند، در حالي که به برخي پديده هاي ديگر فيزيکي اجازه مي دهند تا وارد بعد چهارم شوند. ساکنان سطح آباد اجسام سه بعدي را در صفحه خود به صورت اجسام دوبعدي مشاهده مي کنند. مثلاً يک توپ کره يي شکل را به صورت دايره مي بينند، به طريق مشابه، مي توان گفت که ما در حال حاضر تنها تصويري سه بعدي از اجسام و مفاهيمي را مي بينيم که در واقع داراي ابعاد بيشتري هستند. اما ممکن است فضاي «سه رويه يي» ما در فضاي چهاربعدي تنها نباشد. ممکن است که رويه هاي قابل کشف ديگري نيز وجود داشته باشند که در فضاي چهاربعدي حضور دارند. اثبات اين فرضيه، انجام آزمايش هايي تازه را مي طلبد که وجود بعد چهارم را نيز به ما نشان دهد. اما به تازگي اين نظريه مطرح شده است که برخورد رويه ها مي تواند توجيه گر «انفجار بزرگ» باشد. در نتيجه حضور ما روي کره زمين شايد اصلاً مويد همين مطلب باشد که فضا واقعاً سه بعدي نيست،
4- آيا سفر در زمان امکان پذير است
شايد سوال يک نيز بازگويي همين پرسش باشد. ماهيت ماده تاريک و گرانش کوانتومي را فراموش کنيد. شايد اين سوال را هر کسي دوست دارد که پاسخ دهد. پس از اينکه اچ.جي. ولز، رمان نوگرايانه و جالب خود با نام «ماشين زمان» را نوشت، سفر در زمان به يک موضوع علمي- تخيلي مورد علاقه و جذاب براي مردم تبديل شد. اما هرآنچه که اينجا مطرح شده است، لزوماً علمي- تخيلي نيست. براي مثال سفر در زمان به سوي آينده، يک واقعيت علمي پذيرفته شده است. نظريه نسبيت اينشتين تاييد مي کند ناظري که نسبت به زمين حرکت مي کند، مي تواند به آينده برود. اين اثر را ساعت هاي اتمي ثابت کرده اند. اما جهش هاي بزرگ زماني، به سرعتي مشابه سرعت نور نياز دارد که شايد در تئوري قابل اثبات و ممکن باشد، اما حتي اگر به هزينه هايش فکر نکنيم، به يک شاهکار بزرگ مهندسي نياز دارد، اما سفر در زمان به سمت عقب، مشکلات بزرگ تري خواهد داشت. نسبيت تاييد نمي کند که يک ناظر بتواند در فضا-زمان سفر کند و به عقب هم برگردد. اما در همه داستان ها و سناريوها، چنين شرايط خارق العاده يي نيز در نظر گرفته شده است.
يکي از راه هاي سفر به عقب در زمان، استفاده از يک «کرم چاله» فضايي است. نظريه پردازان معتقدند چنين تونل (يا دروازه ستاره يي) که دو نقطه را در ابعاد فضا-زمان به يکديگر متصل کند، شايد به راستي وجود داشته باشد. اگر يکي شان را پيدا کنيد و داخلش بپريد، چند لحظه بعد از نقطه يي ديگر در جهان هستي سر در خواهيد آورد. آنها معتقدند اگر چنين چاله يي وجود داشته باشد، مي توان آن را با ايده ماشين زمان نيز هماهنگ کرد. مي توانيد از طريق آن سفر کنيد و نه تنها از يک مکان ديگر سر در بياوريد، که وارد يک زمان ديگر نيز بشويد. اين «زمان» مي تواند در گذشته يا آينده باشد. اگر امکان سفر به گذشته وجود داشته باشد، انواع پارادوکس ها و متناقض نماها نيز اتفاق خواهند افتاد. از جمله اين موارد معماي يک مسافر زمان است که به سال هاي گذشته مي رود و مادرش را در زمان کودکي به قتل مي رساند. اگر اصرار بورزيم و بدانيم که هيچ چيز نمي تواند قانون علت و معلول را از بين ببرد، از اين متناقض نماها مي توان گريخت. اما سفري دوطرفه در مسير زمان، هنوز پيچيده و غيرقابل هضم است.
براي بسياري از فيزيکدان ها، اين مساله بسيار غيرعقلاني است. «استفن هاوکينگ» نظريه «محافظت از توالي گاه شماري» را مطرح مي کند و معتقد است که يک نيرو يا عامل خاص باعث مي شود تا اجسام فيزيکي يا نيروها نتوانند به گذشته برگردند. اين مساله شايد به دليل موانع و سدهاي فيزيکي اساسي بر سر راه ساخت ماشين زمان اتفاق مي افتد. براي مثال هنگام ورود به کرم چاله هاي فضا، انرژي کوانتومي خلأ بدون هيچ محدوديتي فوران مي کند و مانع ورود به کرم چاله مي شود.
5- اين سوال هاي من از کجا مي آيند
هوشمندي و آگاهي انسان ها از کجا مي آيد؟ چرا برخي طرح ها و جريان هاي الکتريکي مانند طرح هاي مغز، موجب احساس و انديشه مي شود در حالي که برخي ديگر از اين طرح ها مانند شبکه سراسري برق احتمالاً چنين احساساتي را به وجود نمي آورند؟ يا از سوي ديگر، چگونه مي شود که مفاهيم انتزاعي و غيرمادي مانند تفکرات يا آرزوها مي توانند الکترون ها و يون ها را در مغز حرکت دهند و موجب حرکت فيزيکي بدن شوند؟
يا آيا اين پرسش ها فقط مغلطه هاي بي معنا و بي مورد مفاهيم هستند؟ آيا اين پرسش ها تنها به اين دليل مطرح مي شوند که فيزيکدان ها به آن پاسخ دهند؟ عده يي فکر مي کنند که فيزيکدان ها به آساني به اين سوال ها پاسخ مي دهند. ارتباط دادن جهان مادي و جهان معنوي چيزي است که اکثر فيزيکدان ها از آن دوري مي کنند. اما اگر فيزيک مدعي باشد که يک علم جهان شمول و عام است، مي توان نتيجه گيري کرد که آگاهي و معرفت علمي، تعريفي عام و تلفيقي از هر دو اين مفاهيم است.
مکانيک کوانتومي به عنوان يک کليد در اين زمينه شناخته شده است، بيشتر به اين دليل که ناظر بيروني، نقشي اساسي در تفسير و تعبير سيستم هاي کوانتومي بازي مي کند. اما هنوز راه زيادي مانده تا اين موضوع روشن شود که تاثيرات کوانتومي در کل دستگاه و مجموعه نورون ها و سلول هاي عصبي نقش دارد يا نه؟ شايد کليد رسيدن به پاسخ، رجوع کردن به تعريف زندگي است. هيچ کس نمي داند که دقيقاً چگونه، کجا و چه زماني حيات شروع شد. شايد ترکيبي از مواد شيميايي بي جان، در ابتدا منجر به تشکيل يک موجود زنده ابتدايي شد. بديهي است که اين اتفاق به شکل آني و لحظه يي و در يک مرحله نيفتاده است و بي هيچ گفت وگويي، مي توان ادعا کرد که يک فرآيند فيزيکي پيچيده و طولاني طي شده است، اما هنوز مشخص نيست که اين سير تکامل حيات، از مشکلات و مسائلي است که بايد در حوزه فيزيک بررسي شود يا نه؟
گاهي اوقات ادعا مي شود که قانون هاي حيات بر پايه فيزيک نوشته شده است. البته اين مساله درست است که اگر اين قوانين اندکي متفاوت بودند، شايد تشکيل به کل غيرممکن مي شد. اما هيچ چيزي در اين قانون هاي شناخته شده وجود ندارد که اجسام را به تشکيل حيات مجبور کند. اگر چيزي به نام قانون حيات نيز در طبيعت وجود داشته باشد، نمي توان در لابه لاي قانون هاي فيزيکي آن را يافت بلکه خاستگاهش در نظرياتي چون پيچيدگي و تئوري اطلاعات و... است. قوانين حاکم بر تئوري اطلاعات يا تئوري پيچيدگي، همچنان بررسي مي شود. در سطح مشابه و از سوي ديگر، همان طور که اروين شرودينگر در دهه 1920 ادعا کرده بود، مکانيک کوانتومي نيز نقش مهمي در تاريخچه تشکيل حيات بازي مي کند.
هرچند که قوانين مربوط به پردازش کوانتومي اطلاعات، به شکل قابل ملاحظه يي با سيستم هاي کلاسيک بيولوژيک تفاوت دارند، اما مي توانند کليدي براي حل اين مشکلات و پاسخ به اين سوال ها باشند.
NewScientist, 21Sep.2002