ورنر هایزنبرگ: آن‌سوی مرزها، پی‌پر، ۱۹۸۴، مجموعۀ گفتارها و نوشته‌ها
آیا فیزیک پایان یافته است؟
Werner Heisenberg: Schritte über Grenzen: Gesammelte Reden und Aufsätze, Piper, 1984
?Abschluss der Physik
ورنر هایزنبرگ: آیا فیزیک پایان یافته است؟
PDF (eBook) نسخۀ
ص 278
آیا فیزیک پایان یافته است؟*
فیزیک ذرّات بنیادی، امروز در کانون توّجه علم فیزیک قرار دارد، و گاهی هم این پرسش مطرح می‌شود که آیا با حلّ مسائل در این حوزه، ما هم درعین‌حال به پایان فیزیک در کلیّت آن می‌رسیم؛ زیرا می‌توان چنین دلیل آورد که هر ماده‌ای و هر تابشی از ذرات بنیادی تشکیل شده است. اگر چنین باشد پس باید شناخت کامل خواص آنها و رفتار قوانینی که دربارۀ آنها تعیین‌کننده است، چیزی در شکل «فرمولی جهانی»، اساساً بتواند چارچوب همۀ رویدادهای فیزیکی را معیّن کند. و اگر حتّی بتوان به فیزیک کاربردی و فنّاوری بازهم پیشرفت‌های گسترده‌تری را افزود، درآن‌صورت آن پرسش‌های اصولی روشن شده و می‌توان گفت که پژوهش‌های بنیادی در فیزیک هم به پایان رسیده است.
تجربۀ دوران‌های پیشین این پیش‌نهادۀ اتمام محتمل فیزیک را نقض میکند. در آن زمان‌ها هم به‌غلط به پایان نزدیک فیزیک فکر می‌کردیم. ماکس پلانک جایی گفته است که معلّم او فیلیپ فون‌جولی، تحصیل در فیزیک را به او توصیه نمی‌کرد، زیرا گمان می‌کرد که فیزیک در کلیّت خود به پایان رسیده است، به‌طوری‌که دیگر برای کسی که بخواهد فعّالانه به پژوهش علمی بپردازد، ارزش ندارد تا در این حوزه مشغول شود. امروز دیگر کسی مایل نیست چنین پیش‌بینی‌های نادرستی بکند و به‌این دلیل این سؤال مطرح می‌شود که آیا در تاریخ کنونی فیزیک دست‌کم حوزه‌های فرعی‌ای وجود دارد که در آنها به صورتبندی نهایی قوانین طبیعی رسیده باشیم، به‌طوری‌که بتوانیم اطمینان داشته باشیم که هزارها یا میلیون‌ها سال دیگر، یا جای دیگری مثلاً در منظومه‌ای از ستارگان دور‌دست هم، رویدادها سیری درست مطابق با قوانین ریاضی‌ای داشته باشد که ما صورتبندی کرده‌ایم.
مسلّم است که چنین حوزه‌های فرعی‌ای وجود دارد. مثالی خاصّ را پیش می‌کشیم: قانون اهرم‌ها را ارشمیدس نزدیک به دوهزار سال پیش وضع کرده، درحالی‌که امروز شک نداریم که آنها در همۀ زمان‌ها و در همه جا معتبرند. مثلاً مسافران ماه که در کارشان بر روی آن از اهرم استفاده می‌کنند، درست‌بودن و نتیجه‌بخشی قوانین کهن ارشمیدس را پیش‌فرض کار خود قرار می‌دهند. همین نکته دربارۀ قوانین مکانیک نیوتونی هم مصداق دارد. مسافران ماه بی‌تأمل به اخباری که از آن مکانیک به دستشان می‌رسد، اعتماد می‌کنند و بر اساس آن عمل می‌کنند. امّا همین‌جا می‌توان معترض شد که مگر نظریّۀ نسبیّت و نظریّۀ کوانتومی، مکانیک نیوتونی را بهبود نداده است؟ آیا مسافران ماه نباید، آن‌جایی که پای دقّت زیاد در میان است، این ظرافت‌ها را درنظر بگیرند؟ و اگر آنها ناگزیر چنین کاری کنند، آیا این اصلاحات دلیلی بر این نیست که مکانیک هم هنوز دراصل کارش تمام نشده است؟
برای آنکه در این جا جوابی پیدا کنیم، باید عجالتاٌ خاطرنشان کنیم که در صورتبندی جامع قوانین طبیعی، آن‌طورکه نخستین بار در مکانیک نیوتونی ممکن شد، مسئله بر سر صورت آرمانی واقعیّت است و نه بر سر واقعیّت فی‌نفسه. صورت آرمانی از این راه پیدا می‌شود که ما به واقعیّت با برخی از مفاهیمی نزدیک شویم که در تشریح پدیده‌ها استوار مانده و به آنها اعتباری می‌دهد؛ مانند مفاهیمی که در مکانیک است، ازقبیل مکان، زمان، سرعت، جرم و نیرو. ما هم با این کار تصویر واقعیّت را محدود می‌کنیم – یا بهتر است بگوییم آن را به سبک خاصی درمی‌آوریم – چون ما درعین‌حال هم از همۀ آن ویژگی‌هایی در پدیده‌ها چشم‌پوشی می‌کنیم که دیگر نمی‌توان به آنها با این مفاهیم دسترسی یافت. اگر به این محدودیّت‌ها آگاه باشیم، آن‌وقت می‌توان ادّعا کرد که مکانیک با نظریّۀ نیوتون کامل شده است؛ و منظورمان این است که پدیده‌های مکانیکی، تاجایی‌که می‌تواند اصولاً با مفاهیم فیزیک نیوتونی تشریخ شود، درست مطابق با قوانین همین فیزیک جریان می‌یابد. آن‌طورکه گفتیم، ما یقین داریم این اخبار میلیون‌ها سال دیگر و بر روی دورترین منظومۀ ستارگان هم صدق میکند، و عقیده داریم فیزیک نیوتونی در چارچوب مفاهیم خود دیگر اصلاح‌شدنی نیست. ما هم به‌هیچ‌وجه نمی‌توانیم ادعا کنیم که همۀ پدیده‌ها را می‌توان با این مفاهیم تشریح کرد.
با قید احتیاطی که ذکر آن رفت، می‌توان گفت که مکانیک نیوتونی نظریّه‌ای کامل است. مشخّصۀ چنین نظریّۀ «کاملی» این است که بر نظامی از تعاریف و اصول متعارفی استوار است که مفاهیم اساسی و ارتباط آنها بایکدیگر را معیّن میکند؛ به‌علاوه، با این خواست که حوزۀ بزرگی از تجارب، از پدیده‌های مشاهده‌شدنی وجود دارد که با این نظام با دقّت بالایی می‌تواند تشریح شود. پس نظریّه، صورت آرمانی این حوزۀ تجربی برای همۀ زمان‌هاست.
اما حوزه‌های تجربی دیگری هم وجود دارد، و به‌این دلیل نظریّه‌های کامل دیگری. در سدۀ نوزدهم، نظریّۀ حرارت، به‌خصوص، که اخباری آماری دربارۀ نظام‌هایی با درجات زیاد آزادی به دست می‌داد، شکل نهایی خود را به این معنا پیدا کرد. اصول متعارف بنیانی این نظریّه، مفاهیمی مانند دما، آنتروپی و انرژی را تعریف، و آنها را به یکدیگر مرتبط میکند، و درحالی‌که دو مفهوم اوّل، یعنی دما و آنتروپی، در مکانیک نیوتونی اصلاً پیش نمی‌آید، مفهوم آخر، یعنی انرژی در هر حوزۀ تجربی دیگری، و نه فقط در مکانیک، اهمیّتی اساسی دارد. نظریّۀ آماری حرارت هم در پی کارهای گیبس نهایی شد و کامل، و ما هم نمی‌توانیم شک کنیم که قوانین آن همه‌جا و در همۀ زمان‌ها با دقّت زیاد درست است – مسلّماً فقط درمورد پدیده‌هایی که به‌همراه آنها مفاهیمی مانند دما، آنتروپی و انرژی پیش می‌آید. این نظریّه هم صورتی آرمانی است؛ و ما هم می‌دانیم که حالات بسیاری، مانند مادّۀ گازی‌شکل، وجود دارد که در آنها نمی‌توان از دما حرف زد، یعنی نمی‌توان قوانین حرارت را در آنجا به کار برد.
از آنچه در بالا گفتیم این نکته روشن می‌شود که در فیزیک درهمه‌حال، نظریّه‌های کاملی وجود دارد که می‌توان به آنها چون صورت‌های آرمانی در حوزه‌های محدود تجربی نگریست و در همۀ زمان‌ها هم اعتبار دارد. امّا از پایان فیزیک به‌طور کلّی هم دیگر نمی‌تواند حرفی در میان باشد.
در دویست سال اخیر هم تجربه، حوزه‌های تجربی کاملاً جدیدی بر ما گشود. پدیده‌های الکترومغناطیسی از زمان پژوهش‌های بنیادی گالوانی و ولتا بازهم با دقّت بیشتری مطالعه شد، و با کارهای فارادی روابط آن با شیمی، و با هرتز رابطۀ آن با نورشناسی روشن شد. واقعیّت‌های اساسی فیزیک اتمی هم در آغاز با تجربیّات شیمیایی بر ما روشن شد، و سپس با آزمایش‌هایی دربارۀ الکترولیز، پدیدۀ تخلیۀ بار الکتریکی در گازها، و سرانجام دربارۀ پرتوزایی در همۀ جزئیّات آن مطالعه شد. برای پاگذاشتن در این سرزمین‌های دست‌نخورده، نظریّه‌های کاملی که پیشتر می‌شناختیم، دیگر تکافو نمی‌کرد. به‌این دلیل، نظریّه‌های جامع تازه‌ای به‌وجود آمد که در حوزه‌های تجربی جدید اعتبار داشت و صورت‌های آرمانی آنها بود. نظریّۀ نسبیّت از الکترودینامیک اجسام درحال حرکت به وجود آمد که به دید تازه‌ای از ساختار فضا و زمان انجامید. نظریّه کوانتومی هم به حساب رویدادهای مکانیکی درون اتم رسیدگی می‌کرد، و مکانیک نیوتونی را موردی مرزی می‌دانست، درصورتی‌که خواسته باشیم آنچه را در درون اتم می‌گذرد کاملاً به‌عین بنگریم و از برهم‌کنش میان شی‌ء مورد مطالعه و مشاهده‌گر چشم‌پوشی کنیم.
نظریّۀ نسبیّت را هم می‌توان مانند مکانیک کوانتومی نظریّۀ کامل دانست، یعنی صورت آرمانی جامع از حوزه‌های تجربی کاملاً وسیع، که می‌توانیم براساس قوانین آنها بپذیریم که آنها همه‌جا و در همۀ زمان‌ها اعتبار دارند – و این را هم بیفراییم تنها در آن حوزه‌هایی که در آنجا با این مفاهیم سروکار داریم.
در ده‌های اخیر هم، سرانجام مطالعۀ تابش‌های کیهانی و به‌خصوص کمک شتاب‌دهنده‌های عظیم (مانند آنچه در برکلی، ژنو، بروک‌هافن و سرپوخوف است)، فیزیک ذرّات بنیادی را گسترش بیشتری داد. همین کارها هم سبب شد تا ویژگی‌های تازه‌ای در پدیده‌ها بروز کند که بر مسئلۀ قدیمی کوچک‌ترین ذرّۀ ماده نوری تازه تاباند. پیشرفت‌های فیزیک در زمان‌های گذشته همواره نشان از آن دارد ساختارهایی را که در آغاز کوچک‌ترین قسمت ماده می‌پنداشتیم، با استفاده از نیروهای بزرگ‌تر همواره به ساختارهای کوچک‌تری تقسیم شده است. اتم شیمی‌دان‌ها را که نمی‌توانستیم با وسایل شیمیایی خرد کنیم، این‌بار با لامپ‌های تخلیه، یعنی تحت تأثیر نیروهای الکتریکی قوی، به هستۀ اتم و الکترون‌هایی که به دور آن در چرخش بود، شکستیم. در برخورد هسته‌های اتمی پرانرژی، این هسته‌های اتمی بازهم تقسیم شد و از همین‌جا هم فهمیدیم که همۀ هسته‌های اتمی از دو سنگ بنای بنیادی، یعنی از نوترون و پروتون تشکیل شده است، که آنها را هم مانند الکترون، ذرات بنیادی به‌حساب می‌آوریم. درست به‌همین دلیل، این فرض هم چندان غریب نبود که گمان کنیم اگر نیروهای قوی‌تری به کار بگیریم، مثلاً آن ذرّات را با انرزی‌های بسیار زیاد وادار به برخورد بایکدیگر کنیم، شاید بتوان پروتون و نوترون را هم شکست. درست به‌همین دلیل این کار را با شتاب‌دهنده‌های عظیم آزمایش کردیم، ولی معلوم شد که در چنین برخوردهایی چیز دیگری روی می‌دهد. انرژی بزرگ حرکتی ذرات بنیادی، که نتیجۀ برخورد ذرّات بایکدیگر است، به ماده تبدیل می‌شود، یعنی در برخورد، ذرات بنیادی تازه‌ای به وجود می‌آید که به‌هیچ وجه کوچک‌تر از ذراتی نیست که آنها را به برخورد بایکدیگر واداشتیم. پس دیگر در اینجا نمی‌تواند حرف از «تقسیم‌شدن» باشد. امروز ما با ذرات بنیادی شناخته‌شده و با شتاب‌دهنده‌های عظیمی که با آنها بر روی ذرات بنیادی آزمایش می‌کنیم، به مرزی رسیده‌ایم که در آن، مفهوم تقسیم‌شدن دیگر معنای خود را از دست داده است. به‌این دلیل می‌توانیم با وجدان آسوده گمان کنیم که ذرات بنیادی که تاکنون بر ما شناخته شده است، درواقع کوچک‌ترین قسمت‌های ماده است، مشروط به اینکه بتوانیم اصولاً به این مفهوم معنایی بدهیم.
این حوزۀ تجربی جدید، یعنی فیزیک ذرّات بنیادی را، نتوانستیم با نظریّه‌های کاملی که پیشتر وضع شده بود، مانند نظریّۀ نسبیّت و نظریّۀ مکانیک کوانتومی، نشان دهیم، هرچند این نظریّه‌ها خود صورت‌های آرمانی کاملاً جامعی بود. مکانیک کوانتومی، درست مانند مکانیک نیوتونی قدیم، پیش‌فرضش وجود نقاط مادّی تغییرناپذیر بود، و در آن از تبدیل انرژی به ماده حرفی در میان نبود. نظریّۀ نسبیّت به‌عکس، به ویژگی‌های طبیعت که با کوانتوم کنش پلانک مرتبط بود، توجّهی نمی‌کرد، و عینی‌بودن پدیده‌ها به معنای فیزیک کلاسیک همواره پیش‌فرضش بود. پس برای فیزیک ذرات بنیادی باید در جست‌وجوی صورت آرمانی جامع‌تر و تازه‌ای بر می‌آمدیم که نظریّۀ نسبیّت و نظریّۀ کوانتومی هردو را موارد مرزی می‌انگاشت و طیف پیچیدۀ ذرات بنیادی را درست همان‌طور فهم‌پذیر می‌کرد که مثلاً مکانیک کوانتومی می‌توانست طیف نوری پیچیدۀ اتم آهن را روشن کند. جای شک نیست که این صورت آرمانی را می‌توان روزی به زبان ریاضی نشان داد؛ امّا اینکه آیا آن صورت ریاضی‌ای که تاکنون بر این کار پیشنهاد شده است، تکافو میکند، چیزی است که تجربیّات بعدی و مطالعات نظری نشان خواهد داد. صرف نظر از این مسئلۀ آخر، که نمی‌توان در اینجا دربارۀ آن بحث کرد، می‌توان از خود پرسید که آیا با این صورت آرمانی، فیزیک دیگر کامل شده است؟ و چون همۀ اشیای فیزیکی متشکّل از ذرات بنیادی است، نتیجه بگیریم که شناخت کامل قوانینی که رفتار ذرّات بنیادی را تعیین میکند، به همان اندازه اهمیّت دارد که شناخت کامل قوانینی که بر رفتار همۀ اشیای فیزیکی حکم‌فرماست، درنتیجه بگوییم که می‌توان از پایان فیزیک حرف زد.
چنین نتیجه‌گیری‌ای پذیرفتنی نیست، زیرا نکتۀ نسبتاً مهمّی را درنظر نگرفته است. حتّی نظریّه‌ای کامل از ذرّات بنیادی را – چه آن را «فرمول جهانی» بنامیم و چه ننامیم – باید صورتی آرمانی دانست؛ اگرچه این نظریّه، تصویری از حوزۀ بسیار وسیعی از پدیده‌ها را به‌درستی نشان می‌دهد، ممکن است بازهم پدیده‌های دیگری وجود داشته باشد که در این مفاهیم نگنجد. آشکار‌ترین دلیل بر این امکان، زیست‌شناسی است. هرچند همۀ اشیای زیست‌شناختی درواقع از ذرات بنیادی تشکیل شده است، مفاهیمی که می‌کوشیم تا با آنها به پدیده‌های زیست‌شناختی بپردازیم، برای مثال مفهوم حیات، در صورت آرمانی پدیدار نمیشود؛ پس باید چشم‌به‌راه پیشرفت‌های دیگری در فیزیک در این جهت ماند. شاید بتوان درنهایت معترض شد که در اینجا حرف از فیزیک نیست، بلکه حرف از زیست‌شناسی است و فیزیک دیگر کامل شده است. اما مرزهای میان فیزیک و علوم همسایه‌اش آن‌قدر روان است که از این فرق‌ها چیز زیادی عایدمان نمیشود. به‌این دلیل بیشتر فیزیک‌دانان عقیده دارند که درست به‌سبب همین مرزهای تعریف‌نشده با حوزه‌های همسایه، نمی‌تواند حرف از پایان فیزیک باشد.
برخی از فیزیک‌دانان حتّی با این نظر هم مخالف‌اند که کار فیزیک در حوزۀ مضیق فیزیک ذرات بنیادی در آیندۀ نزدیکی محقّق شود. نکته‌ای که خاطرنشان شده این است که با ساخت شتاب‌دهنده‌های عظیم‌تر، به انرژی‌های بیشتر ناشی از برخورد ذرات بنیادی می‌رسیم و با این کار به امکان دستیابی به سرزمین‌های ناشناختۀ تازه. امّا این نظر بر گمانی استوار است که نه تجربه آن را اثبات میکند و نه نظریّه، یعنی اینکه با افزایش انرژی پدیده‌هایی تازه ازنظر کیفی نتیجه شود. در تابش‌های کیهانی، که انرژی آنها نسبت به انرژی‌ای که از برخورد ذرات بنیادی در درون بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های امروزی پدید می‌آید، هزارها بار بیشتر است، هیچ پدیده‌ای که ازنظر کیفی تازه باشد، دیده نشده. ذرۀ «کوارکی» هم که وجود آن را برخی از نظریّه‌پردازان به‌طور نظری نزد خود گمان می‌کنند، هنوز کشف نشده است. پس نه ازنظر تجربی و نه نظری، دلیلی بر وجود این سرزمین نامکشوف وجود ندارد، هرچند وجود آن هم منتفی نیست.
تازمانی‌که این نوع از حوزه‌های تجربی پدیدار نشده باشد، باید به‌هنگام پرسش دربارۀ پایان فیزیک، پیش از هرچیز به مرزهای روان با حوزه‌های همسایه اندیشید و به تشکیل مفهوم‌هایی از نوعی دیگر که در این حوزه‌های همسایه می‌تواند کاربرد داشته باشد. مسلّم است که در اینجا تنها حرف از علوم طبیعی نیست. به این حوزه‌های مرزی، ریاضیات، نظریّۀ اطلاعات و فلسفه هم تعلّق دارد؛ و شاید هم در آینده گاهی دشوار باشد تا به‌درستی حکم کنیم آیا با پیش‌برد علم، حرف از پیشرفت در فیزیک، در نظریّۀ اطلاعات یا در فلسفه است، یا اینکه فیزیک به زیست‌شناسی تسرّی پیدا کرده است، یا اینکه زیست‌شناسی از روش‌های فیزیک و طرح پرسش هرچه بیشتر استفاده میکند. پس فقط زمانی می‌توان از پایان فیزیک حرف زد که به‌دلخواه برخی از روش‌ها و نمونه‌های مفهومی را فیزیکی بدانیم و راه‌هایی را نشان دهیم که طرح پرسش در علوم دیگر را مطرح میکند. امّا چندان هم محتمل نیست که چنین اتّفاقی بیفتد؛ زیرا شاخصۀ پیشرفت در آینده، درست همان یکپارچگی در علم است، همان ازمیان‌برداشتن مرزهای تاریخی است که میان مفردات رشته‌های مختلف به‌وجود آمده است.
* نوشتۀ ورنر هایزتبرگ در روزنامۀ زوددویچه، ششم اکتبر 1970