Werner Heisenberg: Physik und Philosophie: die Quantentheorie und die Struktur der Materie
ورنر هایزنبرگ. فیزیک و فلسفه. فصل نهم. هیرتسل، ۱۹۷۲ (نسخۀ فارسی)
Werner Heisenberg: Physik und Philosophie: Kapitel IX
Werner Heisenberg: Physik und Philosophie: Physik und Philosophie – Hirzel
نسخۀ PDF (eBook)
https://drive.google.com/file/d/0B82CvAj9ELwUOWtpOWZ4TFpLZUE/view?usp=sharing
فصل نهم: ص 137
Werner Heisenberg: Physik und Philosophie: die Quantentheorie und die Struktur der Materie
ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه. فصل نهم: نظریّۀ کوانتومی و ساختار مادّه
فیزیک و فلسفه: نظریّۀ کوانتومی و ساختار مادّه*
مفهوم “مادّه” در تاریخ فکر انسان در معنای خود همواره دگرگونیهای زیادی را آزموده است. نظامهای فلسفی گوناگون آن را متفاوت تفسیر کردهاست. همۀ این معانی متفاوت هنوزهم تا اندازهای در علم امروزی، وقتیکه واژۀ “مادّه” را بهکار میبریم، پابرجاست.
فلسفۀ یونان باستان، از تالس تا اتمگرایان، که در پی اصلی یکتا در دگرگونیهای بیشمار همۀ چیزها بود، مفهوم مادّۀ کیهانی را درست کرد، یعنی مفهوم جوهر جهانی را، که همۀ این تغییرات را میآزماید. از این جوهر جهانی همۀ چیزهای منفرد بهوجود میآید، و سرانجام هم همۀ آنها دوباره به آن جوهر باز میگردد. این مادّه را کموبیش با مادّۀ نخستین مشخّصی مانند آب، هوا یا آتش یکی دانستیم، بهطوریکه خواصّ دیگری جز آن نداشت تا فقط مادّۀ اصلی باشد، که همۀ دیگر چیزها از آن ساخته میشود.
بعدها، در فلسفۀ ارسطو، مادّه با برقراری رابطۀ میان صورت و مادّه، یا صورت و مادّۀ نخستین، اهمیّت زیادی یافت. همۀ آنچه را ما در جهان پدیدارها مشاهده میکنیم، مادّهای است که بهآن صورتی دادهایم. مادّه خود یک واقعیّت نیست، بلکه یک امکان است، یک “قوّه” است، که تنها با صورت وجود دارد. در رویداد طبیعی، “هستی”، آنطورکه ارسطو آن را مینامد، از امکان از راه صورت، به امرواقع، به فعلیّت میرسد. مادّۀ ارسطویی بهیقین مادّۀ نخستین مشخّصی مانند آب یا هوا نیست، و اصلاً بهمعنای فضا هم نیست، بلکه تاحدودی محمل جسمی نامعیّنی است که این امکان را درخود دارد تا از صورت به امرواقع برود. نمونههای نوعی بر رابطۀ میان مادّه و صورت در فلسفۀ ارسطو، آن فرایند زیستشناختی است که در آن مادّه به ارگانیسم زنده تغییر صورت میدهد، یا انسان اثری هنری میآفریند. آن پیکرهای که پیکرتراش از سنگ مرمر میتراشد، پیش از آنکه او چنین کند، بهقوّه در سنگ مرمر وجود دارد.
امّا مدّتها بعد، که با فلسفۀ دکارت آغاز میشود، مادّه دراصل دربرابر روح بود. دو وجه مکمّل از جهان وجود داشت، مادّه و روح، یا آنچنانکه دکارت خود آن را نامیده است، “شیء ممتد” و “شیء متفکّر”. امّا ازآنجاییکه اصول نوین روشمند علم، بهویژه اصول مکانیک، هرگونه ارجاع پدیدههای مادّی به نیروهای ذهن را، رد میکرد، درنتیجه توانستیم به مادّه تنها در صورت واقعیّت خاص آن بنگریم، یعنی مستقلّ از روح انسان و یا از هر نیروی فوقطبیعی. مادّه در این دوره، مادّهای است که صورتی دارد، بهطوریکه فرایند شکلدهی به آن را زنجیرهای علّی از برهمکنشهای مکانیکی معیّن میکند. مادّه از این راه هم، پیوند خود را با “روح نباتی” فلسفۀ ارسطویی از دست داد، و بههمین سب هم دوگانگی میان مادّه و صورت در اینجا دیگر اهمیّت ندارد. این مفهوم مادّه بیشترین سهم را در بهوجودآوردن آن مفهومی دارد، که ما امروز از کلمۀ “مادّه” درنظر داریم.
سرانجام در علم سدۀ نوزدهم، دوگانگی دیگری اهمیّت پیداکرد، یعنی دوگانگی میان مادّه و نیرو، یا، آنچنانکه پیشتر میگفتیم، نیرو و جسم. بر مادّه میتواند نیرو کنشی داشته باشد، و جسم میتواند نیرو را برانگیزد. برای مثال مادّه نیروی گرانش را بهوجود میآورد، و این نیرو دوباره با مادّه کنشی دارد. جسم و نیرو درنتیجه دو وجه روشن از دنیای اجسام است که با هم فرق دارد. پس نیرو، و نیروی شکلدهنده، دوباره با آن فرقی که باهم دارد، به همان فرق میان مادّه و صورت ارسطویی نزدیک میشود. امّا از طرفی هم این فرق میان مادّه و جسم، دوباره با تازهترین پیشرفتهایی که در فیزیک جدید پدیدار شده است، کاملاً از میان رفته است، زیرا هر میدان نیرویی، انرژیای دارد و بههمین سبب هم بخشی از مادّه را مینمایاند. هر میدان نیرویی نوعی خاصّ از ذرّات بنیادی را دارد. این ذرّات و این میدان نیرو تنها دو صورت پدیداری متفاوت از یک واقعیّت است.
وقتی علم مسئلۀ مادّه را بررسی میکند، درآغاز هم باید صورتهای مادّه را مطالعه کند. گوناگونی و قابلیّت دگرگونی بیپایان صورتهای مادّه، باید موضوع مستقیم پژوهش باشد؛ و کوششهای ما هم باید به این سو باشد تا قوانین طبیعی را بیابیم، اصول یکتایی را بیابیم، که راهنمایی برای ما در این میدان بیپایان باشد. ازاینرو علم دقیق و بهویژه فیزیک، مدّتهاست که توجّه خود را بر تحلیلی از ساختار مادّه و نیروهایی متمرکز کرده است، که دست در کار این ساختار دارد.
از زمان گالیله تاکنون، روش بنیادین علم تجربه است. این روش این کار را ممکن کرد تا از تجربۀ کلّی از طبیعت به تجربۀ خاصّ دیگری برویم، رویدادهای شاخصی را در طبیعت جدا کنیم که در آنها میتوانیم قوانین را مستقیم مطالعه کنیم، همانگونه که در تجربۀ کلّی است. اگر بخواهیم ساختار مادّه را مطالعه کنیم، باید آزمایشهایی هم بر آن انجام دهیم. باید مادّه را در شرایط فوقالعادهای قرار دهیم تا دگرگونیهایی را که دراین شرایط پدیدار میشود، مطالعه کنیم. و این کار را به این امید میکنیم تا برخی از ویژگیهای بنیادین مادّه را بشناسیم، که ذیل همۀ دگرگونیهای ظاهری پایدار میماند.
از آغاز دورۀ علم جدید، یکی از مهمترین هدفهای شیمی همین بود، بههمین سبب هم، این کار خیلی زود به مفهوم عنصر شیمیایی انجامید؛ مادّهای که دیگر نه میتوان آن را با وسایلی که شیمیدان دراختیار دارد، تجزیه کرد و نه ریزتر: جوشاندن، سوزاندن، حلّکردن،مخلوطکردن با دیگر مواد، و امثال آنها، این مادّه را “عنصر” نامیدیم. معرّفی این مفهوم، نخستین و مهمترین گام در راه فهم از ساختار مادّه بود. گوناگونی بسیار زیاد مواد موجود در طبیعت، با این کار دستکم به شمار نسبتاً اندکی از مواد سادهتر، یعنی به عناصر، تقلیل یافت، و از همین راه هم نوعی نظم میان پدیدارهای گوناگون در شیمی برقرار شد. واژۀ «اتم»، دربارۀ کوچکترین واحد مادّه بهکار رفت، که به عنصری شیمیایی تعّلق داشت، و کوچکترین جزء یک ترکیب شیمیایی هم به دستۀ کوچکی از اتمهای گوناگون اطلاق شد. برای مثال، کوچکترین ذرۀ عنصر آهن، اتم آهن بود، و کوچکترین ذرّۀ آب، آن بهاصلاح مولکول آب، که از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن درست شده بود.
گام بعدی و شاید بههمان اندازه مهم، کشف پایستگی جرم در فرایندهای شیمیایی بود. برای مثال وقتی زغال را بسوزانیم، دیاکسید کربن پدیدار میشود، بهطوریکه جرم دیاکسید کربن برابر با مجموع جرم کربن و اکسیژن، پیش از آغاز فرایند است.این کشف به مفهوم مادّه، برای نخستین بار معنایی کمّی داد. مادّه را دیگر میتوانستیم، مستقلّ از خواصّ شیمیایی آن، با جرمش اندازهگیری کنیم.
در دورههایی که از این پس میآید، بهویژه در سدۀ نوزدهم، شماری از عناصر شیمیایی تازه کشف شد. در زمان ما این شمار از عدد صد گذشته است. این پیشرفت، امّا نشان از آن دارد که مفهوم عنصر شیمیایی هنوز به آن جایی نرسیده است که از آنجا بتوانیم یکپارچگی مادّه را بفهمیم. این فکر هم رضایت ما را فراهم نمیآورد که بپذیریم که انواع گوناگونی مادّه، از نظر کیفی متفاوت وجود دارد، که میان آنها هیچ پیوند درونیای وجود ندارد.
در آغاز سدۀ نوزدهم توانستیم نشانی بر ارتباط میان عناصر مختلف شیمیایی را در این واقعیّت ببینیم که وزن اتمی بسیاری از عناصر مضرب درستی از کوچکترین واحدی بهنظر میرسید، که تقریباً با وزن اتمی هیدروژن مطابقت داشت. شباهت در رفتار شیمیایی برخی دیگر از عناصر بایکدیگر دلیل دیگری در همین سو بود. امّا تنها کشف نیروهایی، که بسیار قویتر از نیروهایی است که در فرایندی شیمیایی وارد عمل میشود، درواقع به اینجا انجامید تا ارتباطی میان عناصر مختلف برقرار کنیم و درنتیجه به فهم از یکپارچگی مادّه نزدیک شویم.
فیزیکدانان به این نیروها با کشف واپاشی مواد پرتوزا آگاهی یافتند که در سال 1896 بکرل به آن پی برده بود. پژوهشهای بعدی کوری، رادرفورد و دیگران، تبدیل عناصر در فرآیندهای پرتوزا را آشکار کرد. ذرّات α در این فرآیندها به عنوان ترکشهای اتمی با انرژیای گسیل میشود که نزدیک به یک میلیون بار بزرگتر از انرژی یک ذرّه اتمی منفرد در یک فرآیند شیمیایی بود. بههمین سبب هم توانستیم از این ذرّات مانند ابزارهای تازهای بر پژوهش در ساختار درونی اتم استفاده کنیم. رادرفورد توانست در سال 1911 از نتیجۀ آزمایشهای خود دربارۀ پراکندگی پرتوهای α در مادّه، مدل هستۀ اتمی خود را بیابد. مهمترین ویژگی این مدل معروف، تقسیم اتم به دو بخش کاملاً متفاوت باهم، یعنی هستۀ اتم و پوستۀ الکترونها بهدور آن بود. هستۀ اتم در میان اتم تنها کسر بسیار کوچکی از فضای اتم را میگیرد، که شعاع آن درحدود یکصدهزار بار کوچکتر از شعاع همۀ اتم است؛ هسته امّا تقریباً همۀ جرم اتم را در خود دارد. بار الکتریکی مثبت آن، که مضربی درست از بهاصطلاح بار بنیادی است، تعداد الکترونهایی را معیّن میکند که در اطراف هسته است، زیرا اتم باید درجمع از نظر الکتریکی خنثی باشد. همین بار الکتریکی مثبت هسته، شکل مدار الکترونها را هم معیّن میکند.
این تفاوت میان هستۀ اتمی و پوستۀ الکترونی بهیکباره برما توضیحی مناسب بر این واقعیّت ارائه داد که برای شیمی، عناصر شیمیایی، همان کوچکترین واحدهای مادّه است، و برای آنکه بتوانیم این واحدها را بهیکدیگر تبدیل کنیم، به نیروهای بسیار قویتری نیاز داریم. پیوند شیمیایی میان اتمهایی که نزدیک بههم است به سبب برهمکنش پوستههای الکترونی بهوجود آمده است، و این انرژیهای برهمکنش نسبتاً کوچک است. الکترونی که در یک لامپ تخلیه تنها با پتانسیلی درحدود چند ولت، شتاب پیدا میکند، آنقدر انرژی دارد تا پوستههای الکترونی را سست کند و آنها را وادار به انتشار پرتو کند، یا پیوندهای شیمیایی را در یک مولکول منهدم کند. امّا رفتار شیمیایی اتم را – هرچند که بر رفتار پوستههای الکترونی استوار است – بار الکتریکی هستۀ اتم معیّن میکند. پس اگر بخواهیم خواصّ شیمیایی را تغییر دهیم، باید خود هستۀ اتم را تغییر دهیم، و این به انرژیای نیاز دارد که حدود یکمیلیون بار بزرگتر از آن انرژیای است که در فرایندهای شیمیایی پدیدار میشود.
امّا مدل هستۀ اتم، که نظامی است که از قوانین مکانیک نیوتونی پیروی میکند، نمیتواند پایداری اتم را توضیح دهد. آنچنانکه در یکی از فصلهای پیشین هم گفتیم، تنها استفاده از نظریّۀ کوانتومی در این مدل است که میتواند این واقعیّت را روشن کند که برای مثال چرا یک اتم کربن، پس از آنکه برهمکنشی با اتمهای دیگر داشت یا پرتوهایی گسیل کرد، سرانجام بازهم آن اتم کربنی باقی میماند، که همان پوستههای الکترونی را دارد که پیشتر داشت. این پایداری را توانستیم بهشیوهای ساده با آن ویژگیهایی از نظریّۀ کوانتومی توضیح دهیم که امکان نمیدهد تا تشریحی عینی از اتم در فضا و زمان بهدست دهیم .
بهاین ترتیب به نخستین اساس فهم مادّه دست یافتیم. خواصّ شیمیایی و دیگر ویژگیهای اتم را توانستیم اینگونه توضیح دهیم که گرتۀ ریاضی نظریّۀ کوانتومی را در مورد پوستههای الکترونی بهکار بندیم. براین اساس کوشیدیم تا تحلیل از ساختار مادّه را در دو جهت متفاوت بهپیش بریم. دراینجا یا میتوانستیم بکوشیم تا برهمکنش اتمها را، رابطۀ آنها با واحدهای بزرگتر، مانند مولکولها یا بلورها یا موضوعات زیستشناختی را مطالعه کنیم؛ یا بکوشیم تا از راه بررسی هستۀ اتم و اجزاء آن، تا آن جایی پیش برویم که از آنجا بهبعد دیگر یکپارچگی مادّه را درمییافتیم. پژوهشهای فیزیکی در دهههای پیشین در هر دو سمت پیش رفته است، و ما هم در آنچه در پی میآید به کار نظریّۀ کوانتومی در هر دو حوزه میپردازیم.
نیروهای میان اتمهای همسایه دراصل نیروهای الکتریکی است، یعنی، دراینجا حرف از ربایش بارهای مخالف یکدیگر است و رانش بارهای همنام؛ الکترونها را هستۀ اتم جذب میکند و دیگر الکترونها دفع میکند. امّا این نیروها در اینجا طبق قوانین نیوتون عمل نمیکند، بلکه مطابق با قوانین مکانیک کوانتومی عمل میکند.
این وضع به دو نوع متفاوت پیوند میان اتمها میانجامد. در یکی از این دو نوع پیوند، الکترون از یک اتم به اتم دیگر میرود، برای مثال برای آنکه یک پوستۀ الکترونی را که تقریباً بسته شده است، پر کند. در این وضع، هر دو اتم در پایان کار بار الکتریکی دارد و بههمین سبب هم «یون» نامیده میشود. امّا ازآنجاکه بارهای آنها مخالف هم است، یکدیگر را جذب میکند. شیمیدان در اینجا از پیوند “قطبی” حرف میزند.
در نوع دوم، یک الکترون، بهطریقی، که فقط هم در نظریّۀ کوانتومی ممکن است، به هر دو اتم تعلّق دارد. اگرهم تصویر مدار الکترونی را بخواهیم، میتوانیم بگوییم که الکترون دور هر دو هستۀ اتم میچرخد و کسر زیادی از زمان را، هم در این اتم و هم در دیگری سپری میکند. این نوع دوم با آن چیزی مطابقت میکند که شیمیدانان آن را “پیوند همظرفیّت” مینامند.
این دو نوع پیوند، که میان آن دو هم هر گذاری ممکن است، سرانجام به تشکیل دستههای بسیار متفاوت میان اتمها میانجامد، و بهنظر میرسد دست اندر کار همۀ ساختارهای پیچیدۀ مادّه داشته باشد که در فیزیک و شیمی مطالعه میشود. ترکیبهای شیمیایی طوری بهوجود میآید که دستۀ بستۀ کوچکی از اتمهای مختلف درست میشود، بهطوریکه هر دستهای را میتوان یک مولکول از آن ترکیب نامید. در تشکیل بلورها، اتمها در شبکههای منظّم قرار میگیرد. فلزّ از این راه تشکیل میشود که اتمها چنان فشرده کنار هم بستهبندی میشود که الکترونهای خارجی میتواند پوستۀ خود را ترک کند و در همۀ تکّۀ فلّزی گردش کند. خاصیّت مغناطیسی برخی از اجسام، بهویژه برخی از فلّزات، به این سبب پدیدار میشود که الکترونهای منفرد در حرکت چرخشی در آن فلّز است، و امثال آن.
در همۀ این موارد، باز هم میتوان دوگانگی میان مادّه و نیرو را، یا میان جسم و نیرو را، حفظ کرد، زیرا میتوان هسته و الکترون را سنگبنای مادّه دانست که با نیروهای الکترومغناطیسی در کنار هم نگاه داشته شده است.
در حالی که فیزیک و شیمی، از این راه، در جایی، یعنی آنجاکه به ساختار مادّه مربوط میشود، به علمی یکپارچه تبدیل میشود، زیستشناسی با ساختارهای پیچیدهای از نوع دیگر سرو کار دارد. امّا بازهم باوجود تمامیّت موجودات زنده، که آشکارا بهچشم میآید، شاید نتوان فرقی روشن میان مادّۀ جاندار و مادّۀ بیجان نهاد. پیشرفت زیستشناسی شمار زیادی از نمونههایی را برای ما فراهم آورده است، که از آنها میتوان چنین فهمید که کارکردهای خاص زیستشناسی را مولکولهای بزرگ خاصّی یا دستهای یا زنجیرهای از چنین مولکولهایی انجام میدهد، و در پی همین شناخت هم در زیستشناسی امروز، گرایشی روبهرشد بهوجود آمده است تا در زیستشناسی فرایندهای زیستشناختی را نتایج قوانین فیزیک و شیمی بدانیم. امّا این نوع پایداری، که ما آن را در موجودات زنده مییابیم، بنا به طبیعتش اندکی با پایداری اتمها یا بلورها متفاوت است. آنچه بیشتر در زیستشناسی در نظر است پایداری فرایندها یا کارکردهاست، و نه پایداری در شکل. مسلّم است که قوانین نظریّۀ کوانتومی اهمیّت بسیار زیادی در فرایندهای زیستشناختی دارد. برای مثال نیروهای خاص کوانتومی، که آنها را میتوان با مفهوم ظرفیّت شیمیایی تنها با ابهام تشریح کرد، برای فهم مولکولهای آلی بزرگ و آرایشهای هندسی گوناگون آنها مهم است. آزمایشهایی که دربارۀ جهشهایی در زیستشناسی انجام دادهایم که از راه تابش بهوجود آمده است، بهدرستی، هم اهمیّت خصلت آماری قوانین نظریّۀ کوانتومی را نشان میدهد، و هم وجود سازوکارهای تشدید را. مشابهت نزدیک میان فرایندها در سلسلۀ اعصاب و کار یک محاسبهگر الکترونیکی امروزی تأکیدی بر اهمیّت فرایندهای بنیادی منفرد در ارگانیسمهای زنده است. امّا همۀ این مثالها هم دلیلی بر این نیست که فیزیک و شیمی، همراه با نظریّۀ تکامل، روزی تشریحی کامل از ارگانیسمهای زنده را ممکن میکند. فرایندهای زیستشناختی را باید دانشمندان کارآزموده با احتیاطی بیش از آنچه در فرآیندهای فیزیک و شیمی رعایت میشود، انجام دهند. آنچنانکه بور میگوید، ممکن است تشریحی از ارگانیسمهای زنده، که فیزیکدانان بتوانند آن را از دیدگاه خود کامل بنامند، اصلاً اینجا وجود نداشته باشد، زیرا چنین تشریحی به آزمایشهایی نیاز دارد که با کارکردهای زیستشناختی قویاً تناقض پیدا میکند. بور دربارۀ تشریح این وضعیّت میگوید که ما در زیستشناسی بهجای آنکه با نتایج آزمایشهایی سروکار داشته باشیم که خود میتوانیم انجام دهیم، بیشتر با تحققّ امکانات در آن طبیعتی سروکار داریم که ما خود به آن تعلّق داریم. وضعیّت مکمّلیّت، که این صورتبندی به آن اشاره میکند، مانند گرایشی در روشهای زیستشناسی جدید بازتاب پیدا میکند، که از یک سو، از روشها و نتایج فیزیک و شیمی کاملاً استفاده میکند و از سوی دیگر همواره مفاهیمی را بهکار میگیرد که به آن ویژگیهایی از طبیعت آلی بازمیگردد که در فیزیک و شیمی وجود ندارد، برای مثال به مفهوم خود حیات.
پس تااینجا هم تحلیل از ساختار مادّه را در یک جهت دنبال کردیم، یعنی از اتم تا ساختارهای پیچیده را، که از اتمهای زیادی درست شده است؛ از فیزیک اتمی به فیزیک اجسام جامد، به شیمی و سرانجام به زیستشناسی. امّا حالا در جهت عکس حرکت میکنیم و این روش پژوهشی را دنبال میکنیم که از اجزاء خارجی اتم به اجزای درونی، و سرانجام از هستۀ اتم به ذرّات بنیادی میانجامد . تنها همین روش دوم است که شاید به فهم از یکپارچگی مادّه بینجامد. در اینجا دیگر جایی برای ترس وجود ندارد که ساختارهای شاخص را با آزمایشهای خود نابود کنیم. وقتی این کار را در نظر گرفتیم تا از راه آزمایش یکیارچگی اصولی مادّه را با آزمایش بررسی کنیم، دراینصورت میتوانیم مادّه را در معرض قویترین نیروهای ممکن قرار دهیم، سختترین شرایط را بر آن بگماریم، تا ببینیم که آیا مادّه سرانجام میتواند به مادّه دیگری تبدیل شود.
نخستین گام در این جهت، تحلیل تجربی هستۀ اتم بود. در دورۀ نخست این مطالعات، که تقریباً همۀ سهدهۀ اوّل سدۀ ما را میگیرد، تنها ابزارهایی که برای این آزمایشها بر هستۀ اتم در اختیار ما بود، ذرّات α بود، که اجسام پرتوزا گسیل میکند. به کمک این ذرّات، رادرفورد در سال 1919 این کامیابی نصیبش شد، تا هستۀ اتم را به ذرّات سبکتری تبدیل کند. او توانست، برای مثال، هستۀ ازوت را از این راه به هستۀ اکسیژن تبدیل کند، که ذرّۀ آلفایی را به هسته ازوت بچسباند و درعینحال یک پروتون از آن بیرون بکشد. این نخستین نمونه از فرایندی در مقیاس هستۀ اتم بود، که یادآور فرایندهای شیمیایی است که دراینجا به تبدیل مصنوعی عناصر انجامیده بود. پیشرفت مهّم بعدی، شتاب مصنوعی پروتونها با دستگاههای با ولتاژبالا بود تا به انرژیهایی برسد که برای تبدیل هسته کفایت میکند. اختلاف پیانسیلی درحدود یکمیلیون ولت برای این کار لازم است، بهطوریکه کوککرافت و والتون در نخستین آزمایش مهم خود موفقّ شدند هستۀ اتم لیتیوم را به هستۀ هلیوم تبدیل کنند. این کشف بر پژوهش، میدان تازهای گشود، که میتوان آن را به معنای درست، فیزیک هستهای نامید، بهطوریکه خیلی زود به فهم کمّی از ساختار هستۀ اتم انجامید.
ساختار هستۀ اتم در واقع بسیار ساده است. هسته اتم فقط دو نوع ذرّه بنیادی دارد. یک ذرّۀ بنیادی پروتون است، که درعینحال هستۀ اتم عنصر هیدروژن است؛ دیگری نوترون نامیده میشود، ذرّهای که جرمی تقریباً برابر پروتون دارد، امّا از نظر الکتریکی خنثی است. هر هستۀ اتم را میتوان با شماری از پروتون و نوترون مشخّص کرد، که هسته از آنها درست شده است. مثلاً هستۀ اتم کربن معمولی شش پروتون و شش نوترون دارد. امّا هستههای اتمی دیگری از کربن وجود دارد – که آنها را ایزوتوپهای کربن اوّل مینامند – و از شش پروتون و هفت نوترون درست شده است و مانند آنها. بهاینترتیب سرانجام به تشریحی از مادّه دست یافتیم که در آن، به جای شمار زیاد عناصر شیمیایی گوناگون، تنها به سه واحد بنیادی، سه سنگبنای اصلی نیاز بود – پروتون، نوترون و الکترون. همۀ مواد از اتم تشکیل شده است و در نتیجه از این سه ذرّۀ بنیادی. این شناخت هنوز هم به معنای یکپارچگی مادّه نیست، امّا بهیقین گامی است مهم در جهت آن، و شاید مهمتر از آن به معنای سادهسازی بیشتر است. مسلّم است که هنوز راهی دراز در پیش است تا از شناخت این دو سنگبنای هستۀ اتم، به فهمی کامل از ساختار آن برسیم. در اینجا مسئله تا اندازهای با آن مسئله که به پوستۀ خارجی اتم مربوط میشود، فرق میکند، که در سالهای میانی دهۀ بیست حلّ شده بود. در پوستههای الکترونی نیروهای میان ذرّات با دقّت زیاد شناخته شده است، امّا قوانین دینامیکی آنها را هم از همان آغاز باید مییافتیم، و این قوانین را سرانجام در مکانیک کوانتومی یافتیم. در مورد هستۀ اتم چنین پذیرفتیم که قوانین دینامیک در آنجا، همان قوانین مکانیک کوانتومی در کلیّت آن باشد، امّا نیروهای میان ذرّات از همان آغاز بر ما شناخته شده نبود. این نیروها را باید از ویژگیهایی که هسته در تجربه از خود نشان میداد، بهدست آوریم. این مسئله را امّا هنوز نتوانستهایم کاملاً حلّ کنیم. این نیروها شاید چندان هم همان شکل سادۀ نیروهای الکترواستاتیکی میان الکترونها را در پوستههای بیرونی نداشته باشد، و بههمین سبب هم از نظر ریاضی دشوارتر است تا ویژگیهای هستههای اتمی را از این نیروهای پیچیده نتیجه بگیریم، و افزون بر آن ابهام در تجربه، کار پیشرفت را مشکل میکند.
امّا آنچه سرانجام بهعنوان آخرین، و مهمترین مسئله برجای ماند، همان یکپارچگی مادّه بود. آیا این ذرّات بنیادی – یعنی پروتون، نوترون و الکترون – آخرین سنگ بناهای مادّه بود، که دیگر بیشتر نمیتوانستیم بشکنیم، یعنی مانند “اتم” در معنای فلسفۀ دموکریتوس بود، بیآنکه رابطهای با یکدیگر داشته باشد – و آنهم صرفنظر از نیروهایی که میان آنها دست اندر کار دارد – یا آنها فقط صورتهای مختلف از همان یک نوع مادّه است، آیا آنها هم میتواند بهیکدیگر تبدیل شود، یا آنکه آیا اصلاً میتوان آنها را در شکل دیگری از مادّه بهکار برد؟اگر بخواهیم این مسئله را از نظر تجربی بررسی کنیم، به نیروهایی و انرژیهایی نیاز داریم که بر ذرّات بنیادی مادّه متمرکز شده باشد، که بازهم بسیار بزرگتر از آن نیروهایی و انرژیهایی باشد که برای مطالعۀ هستۀ اتم از آنها استفاده کردیم. ازآنجاکه انرژیای که در هستۀ اتم ذخیره شده است، چندان بزرگ نیست تا آن را بهعنوان ابزاری در اجرای چنین آزمایشهایی در خدمت خود بگیریم، فیزیکدانان ناچار شدند یا از نیروهایی که در کیهان، یعنی در فضای میان ستارگان و بر روی سطح ستارهها موجود بود، استفاده کنند، یا به دانش مهندسین اطمینان کنند.
در واقع از هر دو راه به پیشرفتهایی رسیدیم. فیزیکدانان درآغاز از آن تابشهایی استفاده کردند که آن ها را تابش کیهانی مینامیم. میدانهای الکترومغناطیسی بر سطح ستارهها، که در فضاهای بسیار بزرگ گسترده است، میتواند در شرایط مساعدی به ذرّات اتمی باردار، الکترونها و هستۀ اتم شتاب دهد. هسته،بهدلیل لختی بزرگتر خود، بیشتر این امکان را مییابد تا زمان بیشتری در میدان شتاب باقی بماند، و وقتی هم سرانجام از سطح ستاره در فضای خالی میگریزد، گاهی هم با میدانهای پتانسیل چند هزارمیلیون ولت سروکار دارد. شتاب بیشتری بازهم، در برخی از شرایط مناسب، در میدانهای مغناطیسی متغیّر میان ستارگان وجود دارد. درهرصورت، بهنظر میرسد که هستۀ اتم در فضای راهشیری با میدانهای مغناطیسی متغیّر، زمان زیادی میماند و سرانجام از همین راه هم فضای راهشیری را با آن چیزی پر میکند که آن را تابش کیهانی مینامیم. این تابش از بیرون به زمین میرسد و از همۀ هستههای ممکن اتم درست شده است – هیدروژن، هلیوم و عناصر سنگینتر – بهطوریکه انرژی آنها از حدود یکصد یا یکهزار میلیون الکترونولت تا یکمیلیون بار بیشتر از این مقدار در تغییر است. وقتی ذرّات این تابش شدید به هواکرۀ زمین نفوذ میکند، در آنجا با اتمهای ازوت یا اتمهای اکسیژن هواکره برخورد میکند یا با اتمهای تجهیزات آزمایشی دیگری که ما آنها را در معرض تابش کیهانی قرار دادهایم. اثرات آنها را هم میتوانیم پس از این مطالعه کنیم.
امکان دیگر این بود تا ماشینهای شتابدهندۀ بسیار بزرگ بسازیم. یک نمونۀ نوعی آن همان است که آن را سیکلوترون مینامند که لورنس در آغاز سالهای سی در کالیفرنیا ساخته است. فکر اصلی در ساخت این ماشین این بود تا با میدان مغناطیسی بزرگی ذرّات اتمی باردار را برانگیزد تا بارها در دایرهای بچرخد، بهطوریکه در این حرکت دورانی بتواند بازهم بیشتر و بیشتر با میدانهای الکتریکی شتاب بیشری بگیرد. ماشینهایی، که در آنها انرژی تا چندصدمیلیون الکترونولت میرسد، اکنون در بسیاری از نقاط جهان درحال کار است، بهطوریکه در اروپا هماکنون در انگلستان مشغول کار است؛ و با همکاری دوازده کشور اروپایی هم شتابدهندۀ بسیار بزرگی از این نوع اکنون در ژنو ساخته شده است، که امیدواریم با آن بتوانیم به پروتون انرژیای تا بیستوپنج میلیارد الکترونولت بدهیم. این آزمایشها، که با تابش کیهانی یا با ماشینهای شتابدهندۀ بسیار بزرگ انجام شد، ویژگیهای گفتنی تازهای از مادّه را بر ما آشکار کرد. علاوه بر سه سنگبنای اساسی مادّه – الکترون، پروتون و نوترون – ذرّات بنیادی تازهای یافتیم که در فرایندهای پرتاب با انرژی بالا بهوجود آمده است و عموماً هم پس از زمان کوتاهی دوباره از میان میرود، یعنی به ذرّات بنیادی دیگری تبدیل میشود. این ذرّات بنیادی جدید، خواصّی شبیه به ذرّات قدیمی دارد، جزآنکه از نظر ناپایداری با آنها فرق دارد. پایدارترین آنها، در میان این ذرّات تازه، تنها طول عمری درحدود میلیونیوم ثانیه دارد، و حتّی عمر برخی دیگر از آنها صد یا هزار بار کوتاهتر از این است. هماکنون حدود بیستوپنج نوع از این ذرّات بنیادی شناخته شده است. تازهترین آنها پروتون منفی است، که آن را ضدّپروتون هم مینامند.
امّا این نتایج بهنظر میرسد که بازهم در نگاه نخست از یکپارچگی مادّه دور شده باشد، زیرا شمار سنگبنای اصلی مادّه بهنظر به میزانی افزایش یافته است که آن را با شمار عناصر شیمیایی مختلف میتوان مقایسه کرد. امّا این مطلب چندان هم تفسیر درستی از این واقعیّت نیست؛ زیرا آزمایشها نشان داده است، که ذرّات درعینحال میتواند از ذرّات دیگری بهوجود آید، و به ذرّات دیگری تبدیل شود، که این ذرّات بهسادگی میتواند از انرژی جنبشی چنین ذرّاتی بهوجود آید و بازهم با همانها ازبین برود، که ذرّات دیگری میتواند از اینها پدیدار شود. پس بهبیان دیگر : آزمایشها تبدیلپذیری کامل ذرّات به یکدیگر را نشان داده است. همۀ ذرّات بنیادی میتواند با شوکهایی با انرژی بالایی که بر این کار کفایت کند، به ذرّات دیگر تبدیل شود، یا اصلاً از انرژی جنبشی بهوجود آید، و خود این ذرّات هم میتواند به انرژی، برای مثال به تابش تبدیل شود. پس در اینجا درواقع دلیلی قطعی بر یکپارچگی مادّه داریم. همۀ ذرّات بنیادی از یک مادّه، از یک جوهر درست شده است، که ما هم آن را بهطور کلّی انرژی یا مادّۀ کلّی می نامیم. پس آنها فقط صورتهای مختلفی است که مادّه میتواند به این صورتها درآید.
اگر این وضع را با مفاهیم صورت و مادّۀ نخستین ارسطو مقایسه کنیم، میتوانیم بگوییم که مادّۀ ارسطو، در اساس «قوّه» بود، یعنی امکان بود، که میتواند با مفهوم انرژی مقایسه شود؛ وقتی ذرّۀ بنیادی بهوجود میآید، انرژی بهعنوان واقعیّت مادّی با صورت پدیدار میشود.
مسلّم است که فیزیک جدید نمیتواند تنها به تشریحی کیفی از ساختار بنیادی مادّه رضایت دهد؛ فیزیک جدید باید بکوشد تا برپایۀ آزمایشهای دقیق، به سوی صورتبندیای ریاضی از قوانین طبیعی به پیش برود، که صورتهای مادّه، یعنی ذرّات بنیادی و نیروهای آنها را معیّن میکند. فرقی آشکار میان مادّه و نیرو، یا میان نیرو و جسم، دیگر در این بخش از فیزیک وجود ندارد، زیرا هر ذرّه بنیادی نه فقط خود، نیرو برمیانگیزد، و از نیرو تأثیر میگیرد، بلکه خود درعینحال بهنوعی، میدانی از نیرو را نشان میدهد. دوگانگی نظری کوانتومی میان موج و ذرّه، سبب میشود تا همین واقعیّت هم بهعنوان مادّه و هم بهعنوان نیرو پدیدار شود.
همۀ کوششها بر یافتن تشریحی ریاضی از قوانین طبیعی ذرّات بنیادی، همواره با نظریّۀ کوانتومی میدانهای موج آغاز شده است. مطالعات نظری در این حوزه، ابتدا در نخستین سالهای دهۀ سی آغاز شد. امّا کارهای نخستین در این باره، دشواریهای بسیار جدّیای را برانگیخت که در آن جایی پدیدار میشد که میکوشیدیم تا نظریّۀ کوانتومی را با نظریّۀ نسبیّت خاص مرتبط کنیم. در نگاه نخست چنین بهنظر میرسید که این دو نظریّه، یعنی نظریّۀ کوانتومی و نظریّۀ نسبیت، به جنبههای متفاوتی از طبیعت باز میگردد، که عملاً با یکدیگر اصلاً کاری ندارد، بههمین سبب هم باید آسان باشد تا به خواستههای هر دو نظریّه با یک فرمالیسم جواب دهیم . امّا بررسیای درستتر نشان میدهد که این دو نظریّۀ در نقطۀ مشخصّی در تناقض با یکدیگر است، و از همین نقطه هم هست که همۀ دشواریها برمیخیزد.
نظریّۀ نسبیّت خاص، ساختاری از زمان و فضا را آشکار کرده بود که اندکی با آن ساختاری متفاوت بود، که بهطور کلّی از زمان مکانیک نیوتونی تاکنون پذیرفته بودیم. آنچه خصلت شاخص این ساختار بود، که بهتازگی کشف کرده بودیم، وجود سرعتی حداکثری بود، که هیچ جسمی درحال حرکت، یا هیچ علامتی درحال انتشار نمیتوانست از آن سرعت بگذرد؛ این سرعت، همان سرعت نور بود. درپی این کشف، دو فرایند که در نقاطی روی میدهد که از یکدیگر دور است، نمیتواند هیچ رابطۀ علّی بایکدیگر داشته باشد، یعنی مشروط به آنکه در زمانهایی روی دهد که وقتی علامتی نوری، که در لحظۀ وقوع یکی از فرایندها از یکی از نقطهها حرکت میکند، به نقطۀ دیگر تنها پس از زمان وقوع فرایند دیگر برسد و بهعکس. در این مورد میتوان این دو رویداد را همزمان نامید. از آنجاکه هیچ کنشی از هیچ نوع، نمیتواند از یکی از این دو فرایند، در یکی از دو نقطۀ زمانی به فرایند دیگر در نقطۀ زمانی دیگر برسد، این دو فرایند نمیتواند بهدلیل کنشی فیزیکی به یکدیگر مرتبط باشد.
بههمین دلیل هر کنشی در فاصلههای دور، مانند کنشهایی که در نیروهای گرانشی در مکانیک نیوتونی پدیدار میشود، نمیتواند با نظریّۀ نسبیّت خاص سازوار باشد. این نظریّۀ تازه ناگزیر شد تا چنین کنشی را با “کنشازنزدیک” جایگزین کند، یعنی با انتقال نیرو از نقطهای به نقطۀ دیگر که مستقیم در همسایگی آن است. طبیعیترین بیان ریاضی برای کنشهایی از این نوع، معادلات دیفرانسیل امواج یا میدانها بود که نسبت به تبدیل لورنتس ناوردا بود. چنین معادلات دیفرانسیلی، هر گونه کنش مستقیم میان فرایندهای همزمان را غیرممکن میکند.
بههمین سبب، ساختار فضا و زمان، که در نظریّۀ نسبیّت خاص بیان شده است، مرزی روشن در حوزۀ همزمانی، که در آن هیچ کنشی نمیتواند منتقل شود، و حوزههای دیگر، که در آنها کنشی مستقیم از یک فرایند به فرایند دیگری روی میدهد، برقرار میکند.
از سوی دیگر، روابط عدمقطعیّت نظریّۀ کوانتومی، مرزی روشن بر دقتّی مینهد که با آن میتوانیم مکان و اندازۀ حرکت یا زمان و انرژی را همزمان اندازهگیری کنیم. از آنجا که مرزی کاملاً روشن، بهمعنای دقتّی بیپایان درمورد مکان در فضا و زمان است، پس باید اندازۀ حرکت و انرژی متناظر هم کاملاً نامعیّن باشد، یعنی حتّی هر اندازۀ حرکت و انرژی بالای دلخواهی باید با احتمال بسیار زیادی پدیدار شود. بههمین سبب هر نظریّۀای که بخواهد به خواستههای نظریۀ نسبیّت خاص و نظریّۀ کوانتومی همزمان جواب دهد، به تناقضاتی ریاضی میانجامد، یعنی به واگراییای دربارۀ اندازۀ حرکت بسیار بالا و انرژی بسیاربالا. این نتیجه شاید چندان هم خیلی الزامآور بهنظر نرسد، زیرا هر فرمالیسمی که از این نوع باشد، بسیار پیچیده است و شاید هم بتواند امکاناتی ریاضی ارائه دهد تا از تناقض میان نظریّۀ کوانتومی و نظریّۀ نسبیّت در این نقطه پرهیز کنیم. امّا تاکنون همۀ گرتههای ریاضی، که در این راه آزمودهایم، درواقع بهچنین واگراییهایی انجامیده است، یعنی به تناقضاتی ریاضی، یا آنکه نتوانسته است خواستههای هر دو نظریّه را بهجا آورد؛ و بهآسانی هم میتوان دید که این دشواریها درواقع از همان جایی برمیخیزد که دربارۀ آن بحث میکردیم.
آن شیوهای که در آن، این گرتههای ریاضی که دراصل بایکدگر همگراست، خواستههای نظریّۀ نسبیّت و نظریّۀ کوانتومی را بهجا نمیآورد، بهخودیخود کاملاً گفتنی است. برای مثال، این چنین گرتهای، همینکه میکوشیدیم تا آن را با فرایندهایی واقعی در فضا و زمان تفسیر کنیم به نوعی برگشت زمان میانجامید. همین گرته، فرایندهایی را تشریح میکند که در آنها ناگهان در نقطهای معیّن ذرّات بنیادیای بهوجود میآید که برای آنها انرژی بعداً با فرایندهای شوک میان ذرّات بنیادی فراهم میآید. فیزیکدانان براساس تجربۀ خود یقین دارند که فرایندهایی از این نوع در طبیعت پبش نمیآید – دستکم آنگاهکه این دو فرایند با فاصلهای اندازهپذیر در فضا و زمان از هم جدا شده باشد. گرتۀ نظری ریاضی دیگری میکوشد تا با فرایندی ریاضی از واگراییهای این فرمالیسم پرهیز کند، که آن فرایند را “بههنجار کردن دوباره” مینامیم. دراینجا چنین بهنظر میرسد، گویی که میتوان بینهایتهایی در فرمالیسم را در جایی بهپس راند که در آنجا این بینهایتها نتواند برقراری رابطهای کاملاً تعریف شده میان کمیّتهای اندازهپذیر را مختلّ کند. این گرته درواقع حتّی به پیشرفتهای بسیار مهم در الکترودینامیک کوانتومی انجامید، زیرا جزئیّات پراهمیّتی در طیف هیدروژن وجود دارد،که آنها را پیشتر نمیتوانستیم توضیح دهیم. امّا تحلیلی دقیقتر از این گرتۀ ریاضی بر این احتمال افزود تا آن کمیّتهایی را که میبایستی در نظریّۀ کوانتومی معمول بهعنوان احتمال تفسیر کنیم، دراینجا بتوانیم ذیل شرایطی، پس از آنکه فرایند بههنجارسازی دوباره را اجرا کردیم، منفی کنیم. مسلّم است که این کار تفسیر بیابهام از فرمالیسم را در تشریح مادّه غیرممکن میکند، زیرا احتمال منفی مفهومی است که معنایی ندارد.
پس تا اینجا به مسائلی رسیدیم که امروز خود اصل بحث در فیزیک جدید است. راهحلّ این دشواریها روزی از مجموعهای از مصالح تجربی، که هر روز هم پربارتر میشود، بهدست خواهد آمد؛ این مصالح تجربی از اندازهگیریهای دقیقتر از ذرّات بنیادی مختلف، از تولیدشدن آنها و از نابودشدن آنها و از نیروهای میان آنها میتواند بهدست آید. وقتی در پی یافتن راهحلّهای ممکن بر این مشکلات بر میآییم، شاید بهتر باشد بهخاطر آوریم که چنین فرآیندهایی با برگشت زمان را، آن طور که قبلاً بحث شد، درصورتیکه تنها در چارچوب بسیار کوچک حوزۀ فضا روی دهد،که در آنها نمیتوانیم با تجهیزات تجربی کنونی خود، آن فرایندها را در جزئیّات آنها دنبال کنیم، نمیتوانیم بهطور تجربی بعید بدانیم. مسلّم است که در مرحلۀ کنونی دانش ما از فیزیک، این آمادگی را اصلاً نداریم تا چنین فرایندهایی را با برگشت زمان ممکن بدانیم، حتّی اگر در مرحلهای از رشد بعدی فیزیک این امکان بهدست آید تا چنین فرایندهایی را بههمان شیوهای دنبال کنیم که فرایندهای اتمی معمول را مطالعه میکنیم. امّا در اینجا مقایسۀ تحلیل نظریّۀ کوانتومی با نظریّۀ نسبیّت، میتواند نگاهی نو به این مسئله بیفکند.
نظریّۀ نسبیت با ثابتی کلّی در طبیعت، یعنی با سرعت نور، مرتبط است. این ثابت در رابطۀ میان فضا و زمان اهمیّت بسیار زیادی دارد، و بههمین سبب هم خود در آن قانون طبیعیای جای دارد، که برای خواستههای ناوردایی لورنتس کفایت میکند. زبان معمول ما و مفاهیم فیزیک کلاسیک تنها در مورد پدیدههایی میتواند بهکار رود، که در آنها سرعت نور را عملاً بیپایان میدانیم. هنگامی که ما در آزمایشهای خود بهطریقی به سرعت نور نزدیک میشویم، باید هم این آمادگی را داشته باشیم تا به نتایجی برسیم که آنها را دیگر با مفاهیم معمول نمیتوانیم تفسیر کنیم.
نظریّۀ کوانتومی با ثابت کلّی دیگری از طبیعت پیوند دارد، یعنی با کوانتوم کنش پلانک. توصیفی عینی از فرایندها در فضا و زمان، تنها در آن جایی ممکن است که ما با اشیایی یا فرایندهایی سروکار داریم که در مقیاسی نسبتاً بزرگ باشد، یعنی آن جایی که بتوانیم ثابت پلانک را عملاً بینهایت کوچک بدانیم. پس هنگامیکه در آزمایشهای خود به حوزهای نزدیک میشویم که در آنجا کوانتوم کنش اهمیّت دارد، با استفاده از مفاهیم معمول، با همۀ آن دشواریهایی رودر رو میشویم که دربارۀ آنها در فصلهای پیشین این کتاب حرف زدیم.
امّا در اینجا باید ثابت کلیّ سومی هم در طبیعت باشد. این نتیجه، آنطورکه فیریکدانان میگویند، بهدلیل ابعاد است. ثابتهای کلّی، مقیاسهایی از طبیعت را مشخّص میکند، کمیّتهایی شاخص به ما میدهد، که همۀ دیگر کمیّتها در طبیعت را میتوان به آنها باز گرداند. امّا برای این کار دستکم به سه واحد اساسی برای مجموعۀ کامل این واحدها احتیاح داریم. از استفادۀ فیزیکدانان از قراردادهای متعارف دربارۀ واحدهای اندازهگیری، مثلاً از استفاده از نظام c-g-s(نظام سانتیمتر، گرم، ثانیه)، این مطلب به سادهترین شکلی برمیآید. واحد طول، زمان و جرم، این سه واحد بایکدیگر کفایت میکند تا نظامی کامل بسازیم. امّا دستکم به سه واحد اساسی اندازهگیری احتیاج داریم. میتوانیم آنها را با واحدهای طول، سرعت و جرم جایگزین کنیم، یا با واحدهای طول، سرعت و انرژی و امثال آنها. امّا دستکم سه واحد اساسی درهمهحال لازم است. با سرعت نور و ثابت کنش پلانک، دوتا از این سه واحد را فعلاً دراختیار داریم. امّا باید واحد سومی هم وجود داشته باشد، و تنها نظریّهای هم که شامل این واحد سوم باشد، شاید بتواند به معیّنکردن جرم و دیگر ویژگیهای ذرّات بنیادی بینجامد. اگر بنا را بر دانش کنونی خود از ذرّات بنیادی بنهیم، شاید آسانترین و مناسبترین راه آن باشد، تا ثابت کلّی سوم دیگری را وارد کنیم، یعنی این فرض را که طولی کلّی از مرتبۀ بزرگی حدود 13-10سانتیمتر وجود دارد، یعنی طولی که بهتقریب با شعاع هستۀ اتمهای سبک برابر است. اگر بخواهیم از این سه واحد اصطلاحی درست کنیم، که ابعاد یک جرم را نشان دهد، پس این جرم در اندازۀ بزرگی خود با جرم ذرّات بنیادی معمول مطابقت دارد.
پس وقتی فرض میکنیم که قوانین طبیعت درواقع شامل ثابت کلّی سومی با اندازۀ طولی از مرتبۀ بزرگی 13-10سانتیمتر است، پس باید بازهم انتظار داشته باشیم تا مفاهیم معمول خود در این حوزههای زمان و مکان را بهکار بندیم، که به همان اندازه بزرگ است که آن ثابت کلّی طول. پس باید بازهم براین کار آمادگی داشته باشیم،که وقتی در آزمایشهای خود به فرایندهایی در فضا و زمان نزدیک میشویم که شعاعی کوچکتر از شعاع هستۀ اتم دارد، به آن فرایندها بهدلیل خصلت کیفی تازۀ آنها بنگریم. پدیدۀ برگشت زمان، که پیشتر دربارۀ آن حرف زدیم، و تنها مانند امکانی از تأمّلات نظری نتیجه میشود، بههمین دلیل میتواند به این کوچکترین – حوزۀ- زمان – فضا تعلّق داشته باشد. اگر اینچنین باشد، پس شاید نتوانیم به این، به آن شیوهای بنگریم، که با آن این فرایند را با مفاهیم کلاسیک میتوان تشریح کرد. حتّی چنین فرایندهایی باید، تا آتجاکه میتوان آنها را با مفاهیم کلاسیک تشریح کرد، ترتیب زمانی کلاسیک را هم نشان دهد. امّا درحالحاضر دربارۀ این فرایندها در کوچکترین-حوزۀ-فضا-زمان- یا آنچه بر اساس روابط عدمقطعیّت با این گزاره مطابقت دارد، با بیشترین میزان انرژی و تکان – چیزی بسیار اندک میدانیم.
بههنگام استفاده از این راه، تا با آزمایشهای خود دربارۀ ذرّات بنیادی باز چیز بیشتری دربارۀ قوانین طبیعت بدانیم، که ساختار مادّه و با آن ذرّات بنیادی را مشخّص کند، برخی از خواصّ تقارن اهمیّت خاصّ زیادی مییابد. بهیاد داریم که کوچکترین اجزاء مادّه در فلسفۀ افلاطون، بهخصوص اشکال متقارن بود، یعنی اجسام منتظم مانند مکعّب، هشتوجهی، بیستوجهی، و چهاروجهی. امّا در فیزیک جدید، این تقارنهای خاص که از گروه چرخش در فضای سهبعدی بهدست آمده است، دیگر در مرکز توجّه ما قرار ندارد. آنچه در علم زمان ما پابرجای مانده است، دیگر صورتی فضایی نیست، بلکه قانون است، یعنی تاحدودی یک صورت فضا-زمانی است، و بههمین سبب هم آن تقارنهایی که برای فیزیک ما اهمیّت دارد، همواره به فضا و زمان توأم باز میگردد. امّا بازهم بهنظر میرسد برخی تقارنها در نظریّۀ ذرّات بنیادی بیشترین اهمیّت را داشته باشد.
ما این تقارنها را بهطور تجربی با آن احکامی میشناسیم که بهاصطلاح دربارۀ پایستگی مادّه است، و با نظام اعداد کوانتومی، که با آن نظام، رویداد بر ذرّات بنیادی را براساس تجربه میتوان منظّم کرد. از نظر ریاضی این تقارنها را با این ادّعا بیان میکنیم، که قوانین طبیعی اساسی دربارۀ مادّه، دربرابر برخی از گروهای تبدیل باید ناوردا باشد. این گروههای تبدیل، سادهترین بیان ریاضی خواصّ تقارن است. این خواص تقارن بهجای اجسام افلاطونی در فیزیک جدید میآید. مهمترین آنها را در پایین این چنین بر میشمریم:
گروهی که آن را گروه تبدیلات لورنتس مینامیم، که ساختار فضا و زمان را مشخّص میکند، که آن را با نظریّۀ نسبیّت خاص یافتیم.
گروهی که پاؤلی و گورسی مطالعه کردهاند، که در ساختار خود با گروه چرخشهای سهبعدی فضایی مطابقت دارد – این گروه همریخت است، آنچنانکه فیزیکدانان میگویند – و در عدد کوانتومیای پدیدار میشود که بیستوپنج سال پیش بهطور تجربی در ذرّات بنیادی کشف شد و آن را “ایزوسپین” نامیدهاند.
دو گروه دوم دیگر، که از نظر صوری مانند گروههای چرخش بهدور محوری استوار رفتار میکند، به احکام پایستگی دربارۀ بار میانجامد، مانند عدد باریون و عدد لپتون.
سرانجام باید قوانین طبیعت دربرابر برخی از عملیّات بازتاب ناوردا باشد، که دراینجا نمیتوانیم بهتفصیل دربارۀ آنها بگوییم. در مورد این پرسش، بررسیهای یانگ و لی بهویژه بسیار اهمیّت دارد و ثمربخشی خود را نشان داده است، بهطوریکه بر اساس آنها یک کمیّت، که آن را پاریته مینامیم، و پیشتر دربارۀ آن قانون پایستگی را فرض میکردیم، در واقعیّت دیگر برجای نمیماند.
همۀ این خواص تاکنون شناختهشدۀ تقارن را، میتوان با معادلهای نشان داد – منظور ما هم این است: این معادله دربرابر همۀ گروههای تبدیل که برشمردیم ناورداست – و به همین سبب هم میتوان تصوّر کرد که این معادله بتواند قوانین طبیعت دربارۀ مادّه را بهدرستی نشان دهد. امّا هنوز دراینباره تصمیمی نگرفتهایم، و طی سالهای پیشرو با تحلیل ریاضی دقیقتر این معادله، و مقایسۀ مصالح تجربی بایکدیگر، که بازهم بهمقیاسی بسیار بیشتر انباشته خواهد شد، به چنین چیزی دست خواهیم یافت.
امّا صرفنظر از این امکانات خاص، میتوان امیدوار بود که کار توأم آزمایش در حوزۀ ذرّات بنیادی با انرژی بالا، با تحلیل ریاضی آنها، روزی به فهم کامل یکپارچگی مادّه دست یابد. اصطلاح «فهم کامل» شاید به این معنا باشد که صورتهای مادّه – به معنایی که ارسطو در فلسفۀ خود این کلمه را بهکار برده است-، بهعنوان نتیجه، یعنی چون راهحّلهای یک گرتۀ ریاضی بسته پدیدار شود، که قوانین طبیعت دربارۀ مادّه را مینماید.
* * * *
* نسخۀ رقومی این فصل در زبان اصلی، و برخی دیگر از فصلها، هنوز آماده نشده است (مسامحتاً، بنگرید به نسخۀ انگلیسی در نشانی ما).
ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه: فهرست مطالب:
پیشگفتار: ص ۵؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه
فصل اوّل: اهمیّت فیزیک جدید در زمان ما: ص ۹؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه
فصل دوم: تاریخچۀ نظریّۀ کوانتومی: ص ۱۲؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه
فصل سوم: تفسیر کپنهاگ از نظریّۀ کوانتومی: ص ۲۷؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه
فصل چهارم: نظریّۀ کوانتومی و مبادی نظریّۀ اتمی: ص ۴۳
فصل پنجم: سیر فکر فلسفی از دکارت تاکنون با نگاه به وضع جدید در نظریّۀ کوانتومی: ص ۶۱؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه
فصل ششم: رابطۀ نظریّۀ کوانتومی با دیگر رشتههای علوم: ص ۸۰
فصل هفتم:نظریّۀ نسبیِّت: ص ۹۹؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه (نظریّۀ نسبیّت)
فصل هشتم: نقدی بر تفسیر کپنهاگ و پیشنهادهایی در برابر آن: ص ۱۱۹
فهل نهم: نظریّۀ کوانتومی و ساختار مادّه: ص ۱۳۷
فصل دهم:زبان و واقعیّت در فیزیک جدید: ص ۱۶۰؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه (زبان و واقعیّت در فیزیک جدید)
قصل یازدهم:اهمیّت فیزیک جدید در پیشرفت امروزی فکر انسان: ص ۱۸۱؛ بنگرید به: ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه (اهمیّت فیزیک جدید در پیشرفت امروزی فکر انسان)
(شمارۀ صفحه به نسخۀ آلمانی کتاب ارجاع میدهد)
فهرست مطالب نسخۀ آلمانی:
INHALT
Vorwort 5
Die Bedeutung der modernen Physik in unserer Zeit 9
Die Geschichte der Quantentheorie 12
Die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie 27
Die Quantentheorie und die Anfänge der Atomlehre 43
Die Entwicklung der philosophischen Ideen seit Descartes im Vergleich zu der neuen Lage in der Quantentheorie . . . 61
Die Beziehungen der Quantentheorie zu anderen Gebieten der Naturwissenschaft 80
Die Relativitätstheorie 99
Kritik und Gegenvorschläge zur Kopenhagener Deutung der Quantentheorie 119
Die Quantentheorie und die Struktur der Materie 137
Sprache und Wirklichkeit in der modernen Physik 160
Die Rolle der modernen Physik in der gegenwärtigen Entwicklung des menschlichen Denkens 181
* * *
related links: پیوندهای مرتبط
ورنر هایزنبرگ: حقیقت علمی و حقیقت دینی؛ نیلس بور: نور و حیات یکبار دیگر؛ نیلس بور: وابستگی علوم به یکدیگر؛ نیلس بور: فیزیک اتمی و فلسفه؛ ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه؛ فون وایتسکر: جهان از نگاه فیزیک؛ نیلس بور: مجموعۀ آثار (۲)؛ ورنر هایزنبرگ: آن سوی مرزها؛ ورنر هایزنبرگ: جزء و کلّ؛ژاک مونو: تصادف و ضرورت (فهرست مطالب)
Kurztitelaufnahme
Werner Heisenberg: Physik und Philosophie (die Quantentheorie und die Struktur der Materie), Hirzel, 1972
ورنر هایزنبرگ. فیزیک و فلسفه (نظریّۀ کوانتومی و ساختار مادّه)، هیرتسل، ۱۹۷۲