Where the telescope ends, the microscope begins

 

پدرش، زمانیکه مادرش او را باردار بود فوت کرد. مادرش، با فرستادن او به مدرسه ی شبانه روزی، او را از خود راند. او، خود هیچوقت ازدواج نکرد. پس از موفقیتهای علمی اش، زندگی حرفه ای خود را در ناامیدی گذراند. چون نتوانسته بودپرده از اسرار علم کیمیا بردارد...

این، زندگی  غم انگیز نیوتنِ پیروز تاریخ است. نیوتنی که توانست با معادلات یکسان، هم آسمان و هم زمین را توصیف کند. و این کار را در حالی انجام داد که تصور میشد خورشید، ماه و ستاره ها و سیارات، متمایز از اشیاء زمینی است.  نیوتنی که فهمید اگر علم بتواند همه ی طبیعت را با یک روش توصیف کند، آن روش برای متحد کردن  مقیاس انسانی با مقیاس جهانی، کافی نخواهد بود. نیوتنی که از کارهای خود هیچوقت رضایت نداشت چون میدانست که باید از جهان میکروسکوپی، سر در بیاورد. نیوتنی که دست تنها، "فلسفه ی طبیعی " را به علم فیزیک مدرن، تبدیل کرد.

 نیوتن به خاطر تحقیقات کیمیاگری، به  تحقیق درباره ی "نیرو و حرکت" پرداخت. ممکن است کسانیکه به آموزش علم مدرن میپردازند از گفتن این بخش از زندگی نیوتن، احساس شرم کنند. منصف نیستند کسانیکه از شکست نیوتن در علم کیمیا، به او ایراد بگیرند یا از او انتقاد کنند که چرا نتوانست شیمی را به شیمی مدرن تبدیل کند. واقعیت این است که از نظر نیوتن، کیمیاگری با علم مکانیک پیوند خورده بود و اگرچه به وجود اتمها، سخت اعتقاد داشت، ابزاری بیشتر از فرضیات فلاسفه ی یونان، در اختیار نداشت. او هم به تلسکوپ احتیاج داشت و هم میکروسکوپ اما در آن زمان، میکروسکوپ، تازه اختراع شده بود...

 

محدودیتهای مفید

وقتی دو تا ذره با هم برخورد میکنند، طبیعت، کتاب قوانینش رو باز میکنه تا ببینه حاصل این برخورد، چی میتونه باشه و بعد، از بین همه ی گزینه های ممکن، یکی رو بطور اتفاقی انتخاب میکنه.

   فیزیکدانان، بطور کلی، این قوانینِ کتاب طبیعت رو قوانین پایستگی میگن. میشه گفت، هدف فیزیک ذرات، کشف قوانین پایستگی هست. بعضی از کمیتهای کوانتومی مثل جرم -انرژی، میتونن هر عدد کسری باشند؛ اما به نظر میرسه بعضی دیگه باید ضریبی از یک ثابت بنیادی باشند مثل اندازه حرکت زاویه ای. قوانین پایستگی که چنین محدودیتهایی دارند، اعداد کوانتومی گفته میشن.

یکی از نتایج اعداد پایسته ی کوانتومی، این است که بعضی از ذرات، فقط بصورت زوج تولید میشن. اگر عدد کوانتومی پایسته در یک برخورد صفر باشد،  ذره ای که تولید میشود(1+) بایستی حتما یک همراه (1-) داشته باشد طوریکه مجموع اعداد کوانتومی این زوج، صفر شود. برخی از ذرات، فقط با همین استدلال، شناسایی شده اند.

به این ترتیب، محدودیت هایی از این دست به کمک فیزیکدانها میاد و  جالب است که همین محدودیتها، به پیش بینی های مفید در علم منتهی میشود...

...

 

"هر چیزیکه بتونه رخ بده، رخ میده!"

.

.

این حرفِ مکانیک کوانتومه/ البته منظور "هرچیز" خالی نیست، "هرچیزیکه بتونه"

 

اولین انفجار یا اولین انفجار بزرگ؟

عبارت "نظریه ی انفجار بزرگ" اغلب، یادآور خلقِ انفجاری جهان در یک لحظه است. اما برای کیهان شناسان، "انفجار بزرگ" به معنی انفجار اولیه ی جهان است که شاید در یک لحظه بوده باشد و شاید هم نه. اتفاقات بعدی این انفجار، قابل فهم تر از لحظات آغازین آن است: این فرایند، به آسمانی پرستاره منتهی شد، در حالیکه در  لحظه های اول، حتی قوانین فیزیک هم نامعلوم است. آیا احتمال دارد که جهان، یک نقطه ی بی اندازه کوچک با چگالی بی نهایت بوده باشد؟ هیچکس نمیداند.

انفجار بزرگ، مثل یک آتش بازی معمولی نبود که از آن فقط مواد به بیرون پرتاب شوند بلکه خودِ فضا نیز از یک حجم کوچک به حجمی بزرگتر، گسترش یافت. زمانیکه دانشمندان، از فضای در حال گسترش صحبت میکنند، منظورشان نوع خاصی از انحنای فضا زمان است.

در زمانهای بعدی، فضای حرکت، نسبت به زمانهای اولیه بیشتر است.یعنی اگر زمان را  به اندازه کافی به عقب برگردانیم،  معلوم میشود که چرا جهان اولیه، آنقدر داغ و متراکم بوده است. 
درست مثل ستاره ها،  جهان اولیه نیز، با ترکیب هیدروژن، هیلیوم را ساخت. اندازه گیریهای مدرن از نسبت هیدروژن به هیلیم، با دما و زمان این فرایند(سه دقیقه) توافق دارد.

در زمانهای قبلتر، بایستی پروتونها از کوارک ساخته شده باشند و میدان هیگز دچار عدم تقارن امروزی شده باشد. البته این تخمینها، تقریبا نامطمئن هستند چون بر اساس نتایجی است که در برخورددهنده  ها و تلسکوپها بدست آمده اند. تابش زمینه کیهانی و نوری که از جهان پرتب و تاب اولیه بجا مانده است، میتواند به ما بگوید که آیا زادگاه فضا، یک نقطه است یا یک ناحیه یا ....

 

Jim Pivarski

انرژی تاریک، پرملات یا خالی-خالی؟

کشف انرژی تاریک، عجیبترین اتفاق علمی زندگی من بود. زمانیکه اولین بار، کیهانشناسی را مطالعه میکردم، همه ی کتابهای درسی، بخشی داشتند که به چگونگی بستگی عالم به مقدار ماده ی موجود در آن میپرداخت: "همانطور که جهان، منبسط میشود، نیروی کشش گرانش در موضع مقابل این انبساط قرار میگیرد. اگر مقدار ماده به اندازه ی کافی وجود داشته باشد، انبساط، معکوس میشود و آنوقت، همه چیز با یک صدای بلند، به هم برخورد میکند. اگر مقدار ماده، خیلی کم باشد، فقط سرعت دورشدن مواد از هم کاهش می یابد".

کشف انرژی تاریک، به این معنی است که سرعت انبساط جهان، اصلا کاهشی نیست، بلکه در حال افزایش است. "نیرویی وجود دارد که برعکس گرانش و قویتر از آن است و با دمیدن در جهان، موادِ آن را با آهنگی رو به افزایش، از هم دور میکند": این تقریبا همه ی چیزی است که میدانیم...

حتی واژه ی "انرژی تاریک" یک برچسب پوچ است، چون هنوز در حقیقت نمیدانیم که آیا شکلی از انرژی است یا خیر؟ ممکن است هیچ چیز هم نباشد. مثلا ممکن است گرانش در مقیاسهای کیهانی، به جای جذب، دفع کند. حتی در نظریه ی گرانش انشتین، جمله ای وجود دارد به اسم ثابت کیهان شناسی که ممکن است همین جمله، نشان دهنده ی دافعه ی بزرگ مقیاس باشد...

اما  شاید انرژی تاریک، یک ماده باشد. این ماده، اغلب، اثیر* نامیده میشود و ویژگیهای غیرمعمولی همچون فشار منفی دارد. مواد- وبنابراین انرژی تاریک- میتوانند از جایی به جای دیگر، پخش شوند.

یک راه تحقیق درباره پخش شدگی انرژی تاریک، این است که آسمان را با دقت خیلی زیادی بررسی کنیم. اثرات گرانشی انرژی تاریک(و ماده ی تاریک) بر روی توزیع کهکشانها و آهنگ تشکیل آنها، ردهایی بجا میگذارد. این ردها را میتوان در یک نقشه ی دقیق و بطور آماری، اندازه گرفت. تلسکوپهای نقشه برداری آسمان، ماموریت پنج ساله ی خود را هفته ی اول سپتامبر 2013 آغاز کرد.

ماهیت انرژی تاریک، با پیش بینی سرنوشت جهان نیز ارتباط دارد. اگر انرژی تاریک، یک ثابت کیهان شناسی- یک ویژگی از فضا- است، در این صورت، نیرویی که اعمال میکند، با انبساط فضا قویتر میشود(big rip). اگر انرژی تاریک، ماده ای شبیه اثیر است، بسته به ماهیت دقیق ماده، احتمالهای زیادی بوجود می آید...

* Quintessence

Jim Pivarski

از کم ارزش نشان دادن فلسفه دست بردارید

در چند سال گذشته، تعدادی از دانشمندان برجسته، اقدام به تحقیر فلسفه کرده اند. استفان هاوکینگ، لارنس کراس، نیل گراس و نایمون نمونه های بارز آن هستند. وین میرویلد، فیلسوف فیزیک، از چند دانشمند خواسته است که توضیح دهند چرا بحث با فیلسوفان اینهمه برای آنها مهم شده است؟ من یکی از پاسخ دهندگان بودم:

بطور کلی، دانشمندان سه نوع انتقاد ناروا به به فلسفه میگیرند: یکی از آنها کوته نظرانه، یکی آزاردهنده و یکی افسرده کننده است.

. فلسفه میکوشد تا جهان را با اندیشه ی خالص، بدون جمع آوری داده های تجربی، درک کند.

این انتقاد کاملا کوته نظرانه است. بله، اکثر فیلسوفان، بیرون نمیروند و به جمع آوری داده نمیپردازند اما این دلیل نمیشود که به فلسفه بپریم و آن را متهم به نادیده گرفتن اطلاعاتی کنیم که ما از تجربه بدست آورده ایم. کاملا واضح است وقتیکه علم(یا مشاهدات عقل سلیم) چیزی جالب و مهم درباره جهان پیدا میکند، فیلسوفان به آن اهمیت میدهند(البته فیلسوفان بدی هم وجود دارند- درست مثل هر رشته ی دیگر -که هر کار احمقانه ای از آنها سر میزند. روی نظر ما با فیلسوفان خوب است که تعداد آنها کم هم نیست).

فیلسوفان، تمایل زیادی به فکر کردن دارند. این اصلا بد نیست. همه ی کارهای علمی، تا حدودی، شامل تفکر محض است. فیلسوفان، ذاتا، به سوالهای بنیادی علاقه دارند. در بهترین حالت، کار فلسفه ی فیزیک، با کارِ خود فیزیک، پیوند خورده است. بسیاری از بهترین فیلسوفان فیزیک، فیزیک خوانده اند. اما در نهایت متوجه شده اند، فیزیک، به مسائلی که برای آنها مهمتر است، اهمیتی نمیدهد. در حالیکه این مسائل، و تمام مسائلی که به ماهیت واقعیت در عمیقترین سطوح خود میپردازد، فقط مسائل فیزیک هستند! محاسبه ی محض، یا تسلیم شدن در مقابل این مسائل، اصلا خوب نیست.

. فلسفه، سودی به حال فیزیکدانان ندارد.

این نقد، واقعا آزاردهنده است. اگر معیار شما برای "جالب یا مهم بودن" به "مفید بودن برای کارم" سقوط کند، به این معنی است که میخواهید به موجودی با فکر فقیرانه تبدیل شوید. هیچکس منکر آن نیست که حوزه ی وسیعی از فیزیک، بدون اینکه نیازی به فلسفه داشته باشد، بخوبی پیش میرود(لازمه این انتگرال رو حل کنیم! سریع! یه فیلسوف بیارین!) اما این بخشها، به زیست شناسی، تاریخ و ادبیات هم احتیاجی ندارد. فلسفه، جالب است، به خاطر سرشت آن، نه بخاطر اینکه خدمتگزار فیزیک است.

در فیزیک، مشکلاتی هم وجود دارند که فلسفه به آن راه دارد.سوالهای بنیادی همچون مسئله اندازه گیری کوانتومی، پیکان زمان، ماهیت احتمال و... . خیل عظیمی از فیزیکدانان، حتی برای این مسائل، تره هم خورد نمیکنند. البته ما فرق میکنیم!

رک و پوست کنده میگویم، اگر فیزیکدانان، مجبور میشدند بیشتر با فیلسوفان حرف بزنند، خود را از این اشتباهات ساده، حفظ میکردند...

. فیلسوفان، بجای مشاهده و محاسبه، به سوالاتِ متایی اهمیت میدهند.

سرانجام به نقدی رسیدیم که آدم را افسرده میکند! این حرف، نتیجه ی تاسف بارِ عمرِ صرف شده در سیستمهای علمی/آموزشی است. که هدف انها، تمرکز روی رؤیاهای بلندپروازانه و تبدیل آن به واحدهای ساده ی کمی است. تصور میشود که توسعه ی یک روش جدید برای محاسبه  تابع موج، ارزشمند است  و تلاش برای درک حقیقت تابع موج، کسل آور و بیهوده است. در مورد بقیه نمیدانم، اما من، همچون یک بچه، عاشق علم نمیشوم چون به رؤیای یافتن روشهای محاسباتی مؤثرتر کشیده شدم- اشتباه نکنید- یافتن روشهای محاسباتی مؤثرتر، فوق العاده مهم است و من خودم با کمال میل، این کار را میکنم. اما هدف، این نیست. این کار، فقط قدمی در راستای رسیدن به هدف است.

برای من، هدف، درک طبیعت است. سردرآوردن از محاسبات، بخشی از این هدف و بخش دیگر آن، پرسیدن سوالهای عمیق است. این، چیزیست که مرا به علم علاقمند میکند. شرم آور است که بسیاری از فیزیکدانان، بصیرت این را ندارند که ببینند فلسفه چقدر خوب از پس یافتن پرسشهای بنیادی برمی آید.

جهان از ما خیلی بزرگتر است و بسیار عجیبتر از آن چیزیست که دوست داریم تصورش را بکنیم. من به شخصه، به هر تلاشی برای کشف این جهان، خوش آمد میگویم.

.

Sean Carroll

 

 

 

 

 

به من چه...

این روزها، "به من چه" ی آلفرد نیومان، در مجله ی مشهور MAD، حکایت فیزیک انرژیهای بالا است. مخصوصا وصف حال کسانی است که در این حوزه نظریه پردازی میکنند...

ذره دانان بیخیال، باید بدانند که دلایل زیادی برای نگرانی وجود دارد چرا که پاسخ بسیاری از سوالات، هنوز معلوم نیست:

آیا نظریه ی ابَرتقارن درست و معتبر است؟ چرا فقط سه نسل وجود دارد؟ آیا نسلهای بیشتری هم وجود دارد؟ چه چیزی جرم لپتونها را تعیین میکند؟ اتحاد صحیح گرانش و کوانتوم  چگونه است؟ و سوالهای بدون پاسخ زیاد...

با وجود کشف ذره ی هیگز، این موفقیت، اثر معکوس عجیب و غریبی بر جامعه ی ما گذاشته است. اگر از این دستارود فراتر نرویم چه؟... این اثر روحی معکوس در فیزیک ذرات را با بوست بزرگی که کشف انرژی تاریک در روحیه ی کیهانشناسان ایجاد کرد مقایسه کنید.

در عمل هم، نگرانی زیادی از عدم تمایل دولتها برای تامین مالی تاسیساتی همچون برخورد دهنده ی خطی بسیار پرانرژی الکترون-پوزیترون یا احتمالا برخورددهنده ی دایره ای میون-میون وجود دارد. ساخت این تاسیسات حداقل ده سال وقت میبرد حتی شاید تا دو دهه ی بعد هم آماده نشوند. باقیمانده ی عمر مفید فیزیکدانان مسن تر، از جمله بنده، فقط یک دو دهه است.

نگرانی ذره دانان میانسال و مسن تر، این است که ممکن است قبل از مرگمان، چیز جدیدی یاد نگیریم. این نگرانی به نظریاتِ تنها اگر منجر میشود. این نظریات، تنها زمانی آزموده میشوند که ابزارهای آزمایش و مشاهده که در حال حاضر موجود نیست، وجود داشته باشد.

این ابزار در حال حاضر به خاطر هزینه بالا وجود ندارد، یا به احتمال زیاد به این خاطر که نمیدانیم چگونه این ابزار را بسازیم یا حتی ممکن است بیشتر به این خاطر باشد که ما نمیتوانیم تصور درستی از این ابزار داشته باشیم.

بهترین گواه این حرفها، مسئله ساختن دستگاهی برای آشکارسازی گراویتونها است- که اولین بار، دایسون آن را مطرح کرد. راتمن و بون، این مسئله را با جزئیات بیشتری بررسی کردند: فریمن دایسون، این سوال را مطرح کرد که آیا اصلا در دنیای واقعی، میتوان آزمایشی را طراحی کرد که یک گراویتون را آشکارسازی کند؟ اگر نه، آیا صحبت کردن درباره ی گراویتونها به منزله ی یک موجود فیزیکی، بامعناست؟ تلاش میکنیم پرسش دایسون را پاسخ دهیم و ببینیم میتوانیم آزمایش فکری برای آشکارسازی گراویتون را عملی کنیم... اما آشکارسازی هر چیزی که از دور، شبیه واقعیت باشد، غیرممکن است...

.

Martin L. Perl

فکر چیست؟

Eric Baum وقتیکه بر روی رساله ی دکترای خود در زمینه ی گرانش کوانتومی کار میکرد، سوالی را مطرح کرد که امروزه آن را با نام فلسفه ی "هاوکینگ-بوم" میشناسند: چرا ثابت کیهانشناسی، اینقدر کوچک است؟

اریک، بعد از اینکه فیزیک را کنار گذاشت به پژوهشکده ی NEC در پرینستون پیوست تا در زمینه ی علومِ شناختی* کار کند. او در همین راستا، کتاب "فکر چیست؟" را نوشت و انتشارات MIT آن را منتشر کرد. تمرکز او در این کتاب بر این است که مغز چگونه موفق به کدگذاری مفاهیم میشود و میتواند به انجام محاسبات و آزمایش بپردازد.

چیزی که در این کتاب، بیشتر از همه ذهن خواننده را به خود معطوف میکند، نسخه ی جدیدی است که اریک از  تیغ اوکام** ارائه میدهد:

مغز، سیستمی متمرگز و دارای برنامه است و میتواند ساختارهای اساسی جهان را به تسخیر خود درآورد و از آن بهره برداری کند.

منظور اریک این است که مغز، با وجودیکه خود، سیستمی پیچیده و متمرکز است اما میتواند مدلهای ساده ای از سیستمهای پیچیده ی دیگر و حتی جهان، ارائه دهد. به عقیده ی اریک، مغز، از یک طرح و برنامه پیروی میکند و در طول سالیان، با طی کردن مسیرهای سلسله مراتبی، بیشتر و بیشتر توسعه می یابد.

.

* cognitive science شاخه ای میان رشته ای است که به پژوهش علمی درباره ی ذهن و مغز میپردازد.

** Occam's razor هرگاه برای توضیحِ یک امر، دو نظریه با پیش بینیهای یکسان وجود داشته باشند، نظریه ای که ساده تر است قابل قبول تر است.