ورنر هایزنبرگ: فهم از طبیعت در فیزیک امروزی (فیزیک اتمی و قانون علیّت)

ورنر هایزینرگ: فهم از طبیعت در فیزیک امروزی، روولت، هامبورگ، ۱۹۵۵

Werner Heisenberg: Das Naturbild der heutigen Physik (Atomforschung und Kausalgesetz), Rowohlt, Hamburg, 1955

 

Atomforschung und Kausalgesetz

Das Naturbild der heutigen Physik – Werner Heisenberg

 

ورنر هایزنبرگ: فهم از طبیعت در فیزیک امروزی (فیزیک اتمی و قانون علیّت)

Das Naturbild der heutigen Physik: Atomforschung und Kausalgesetz

  

  فیزیک اتمی و قانون علّیّت

نسخۀ PDF (eBook)

http://drive.google.com/file/d/0B82CvAj9ELwUdkl3eUVkWFFVd00/view?usp=sharing

II –

فیزیک اتمی و  قانون علیّت*

 

 ازجملۀ مهم‌ترین تأثیرات فیزیک اتمی جدید، تغییراتی است که به‌سبب آن در مفهوم قانونمندی طبیعی به‌وجود آمده است.

دراین سال‌های اخیر مکّرر گفته شده است که فیزیک اتمی جدید قانون علّت و معلول را لغو کرده است یا دست‌کم بخشی از آن را ملغی کرده است، به‌طوری‌که دیگر نمی‌توان از تعیّن طبیعی رویدادها براساس قانون به‌معنای درست آن چیزی گفت. گاهی هم به‌طور ساده می‌گویند که اصل علیّت با نظریّۀ تازۀ اتمی سازگار نیست. امّا چنین صورتبندی‌هایی هم تازمانی که مفاهیم علیّت یا قانونمندی به‌درستی روشن نشده باشد، همواره مبهم باقی می‌ماند. به‌همین سبب هم می‌خواهم دراینجا به‌اجمال از سیر تاریخی این مفاهیم حرف بزنم. وبعد هم به آن روابطی بپردازم که میان فیزیک اتمی و اصل علیّت مدّت‌ها پیش از پیدایی نظریّۀ کوانتومی وجود داشته است؛ و سرانجام هم از تبعات نظریّۀ کوانتومی و از سیر فیزیک اتمی دراین سال‌های اخیر بگویم. ار این سیر، تاکنون چیز کمی به افکارعمومی راه یافته است، امّا چنین به‌نظر می‌رسد که باید منتظر بازتاب‌های آن هم در حوزۀ فلسفه بمانیم.

۱. مفهوم "علیّت"

استفاده از مفهوم علّیّت به‌معنای قاعده‌ای بر علّت و معلول ازنظر تاریخی نسبتاً متأخّر است. در فلسفۀ باستان واژۀ "علّت" معنایی بسیار کلّی‌تر از امروز داشت. برای مثال در فلسفۀ مدرسی، با تأسّی به ارسطو، حرف از چهار صورت از "علّت" است. درآنجا آن‌ چیزی را "علّت‌ صوری" می‌نامیم که امروز کم‌وبیش آن‌ را ساختار یا محتوای درونی آن چیز می‌نامیم؛ "علّت مادی"،  یعنی جنس، همان است که چیزی از آن درست شده است؛ "علّت غایی"، هدف، که آن چیز برای آن به‌وجود آمده است، و سرانجام "علّت فاعلی". دراینجا تنها "علّت فاعلی" با آن چیزی متناظر است که ما امروزه آن را با واژۀ علّت بیان می‌کنیم.

این تغییر که در مفهوم "علّت" به‌وجود آمده است تا به مفهوم امروزی علّت برسیم، طیّ سده‌ها محقّق شده است، تغییری است که با فهم انسان از تمامیّت واقعیّت، با پیدایی علم درآغاز دوران جدید از درون مرتبط است. به‌همان میزان که رویداد مادی به واقعیّت بیشتری نزدیک می‌شود، به‌همان میزان هم واژۀ "علّت" به آن رویداد مادی‌ای ارجاع می‌دهد که پیش از آن رویداد می‌آید تا از آن توضیحی به‌دست دهد، و بر آن به‌نحوی تأثیر گذاشته است. به‌همین سبب هم حتّی نزد کانت، که خود در بسیاری از موارد تنها تبعات فلسفی رشد علم از زمان نیوتون را درنظر داشت، واژۀ علّیت به‌آن شکلی صورتبندی شده است که معمول ما از سدۀ نوزدهم بود: "وقتی مطلّع می‌شویم که چیزی روی داده است، همیشه هم این پیش‌شرط را قائلیم که چیزی روی می‌دهد که، یراساس قاعده‌ای، از آن، چیزی در پی می آید."

این‌طور شد که اندک‌اندک حکم علیّت محدودتر شد و سرانجام معادل این معنا شد که آنچه در طبیعت روی می‌دهد به‌روشنی معیّن است، به‌طوری‌که هر شناخت درستی از طبیعت یا از بخشی معیّن از آن دست‌کم علی‌الاصول کفایت می‌کند تا آینده را ازپیش معّین کنیم. درست همین‌طور که در طبیعت فیزیک نیوتونی بود، که در آن می‌توانستیم از حالت نظامی در زمان معیّنی، حرکت آن نظام در آینده را پیش‌بینی کنیم. آگاهی به این نکته که وضع در طبیعت اساساً چینن است، شاید در کلّی‌ترین صورتش و به‌بهترین شکلی که فهمیدنی باشد، از زبان لاپلاس بیرون آمده باشد که آن را در افسانۀ شیطانی بیان می‌کند که در زمان معیّنی مکان و حرکت اتم‌ها را می‌داند و بعد هم خود را در وضعی می‌داند تا همۀ آیندۀ جهان را پیش‌بینی کند. اگر از واژۀ علیّت تااین‌میزان تفسیری محدود به‌دست دهیم، آن‌وقت از "علّت‌گرایی" هم می‌توان حرف زد، و با آن هم منظور ما این است که قوانین مستحکمی در طبیعت وجود دارد که می‌تواند حالت نظامی در آینده را براساس حالت کنونی آن به‌روشنی مشخّص کند.

۲. قانونمندی آماری

فیزیک اتمی ازهمان آغاز تصوّراتی را پروراند که به‌واقع در این تصویر نمی‌گنجد. این تصوّرات، گرچه درواقع اساساً این تصویر را نقض نمی‌کند، امّا شیوۀ فکری نظریّۀ اتمی ازهمان آغاز به‌ناگزیر با علّت‌گرایی فرق داشت. حتّی در نظریّۀ ذرّه‌ای دوران باستان درچشم دموکریت و لئوکی‌پوس فرض بر این بود که رویدادها درکلّ به‌این سبب پدیدار می‌شود که رویدادهای نامنظّم بسیاری درمقیاسی کوچک روی می‌دهد. و برای آنکه نشان داد که اساساً این چنین است، مثال‌های بی‌شماری از زندگی روزانه را می‌توان برشمرد. مثلاً کشاورز می‌تواند بگوید که ابری باران بر زمین می‌ریزد، و زمین را آبیاری می‌کند، و کسی هم دراین‌باره نیاز ندارد تا بداند قطره‌های باران چگونه تک‌تک بر زمین افتاده است. یا مثال دیگری می‌آوریم: ما به‌خوبی می‌دانیم که از کلمۀ گرانیت چه منظوری داریم، حتّی وقتی‌که شکل و ترکیب شیمیایی تک‌تک بلورهای کوچک را، نسبت آن‌ها بایکدیگر در مخلوط و رنگ آن‌ها را درست نمی‌شناسیم. پس همیشه از مفهوم‌هایی استفاده می‌کنیم که به چیزی در کلّیت آن ارجاع می‌کند، بی‌آنکه رویدادهای منفرد در جزئیّاتش برایمان اهمیّت داشته باشد.

این فکر که از بسیاری رویدادهای منفرد کوچک با یکدیگر، اجتماعی آماری به‌دست می‌آید، چیزی است که در نظریّۀ ذرّه‌ای باستان اساس توضیح جهان بوده است و به این تصوّر کلّی انجامیده است که همۀ کیفیّات محسوس مواد را مکان و حرکت ذرّات برمی‌انگیزد. حتّی این جمله از دموکریت است: "چیز، به‌ظاهر شیرین یا تلخ است، به‌ظاهر رنگی دارد، درواقع تنها اتم و فضای خالی وجود دارد." اگر این طور است که می‌توانیم رویدادهایی را که از راه حواس ادراک می‌کنیم به‌این شیوه از راه اجتماع رویدادهای منفرد درمقیاس کوچک توضیح دهیم، پس کم‌وبیش هم به‌ناگزیر این نتیجه به دست می‌آید که قانونمندی‌های طبیعت را باید قانونمندی‌های آماری دانست؛ گرچه قانونمندی‌های آماری می‌تواند به اخباری بینجامد که درجۀ احتمالشان آن‌قدر بالا باشد که به آستانۀ یقین برسد؛ امّا همیشه هم اصولاً می‌تواند استثتاهایی وجود داشته باشد.

مفهوم قانونمندی آماری را عموماً مفهومی می‌دانیم که پرازتناقض است. مثلاً می‌گوییم که می‌توان نزد خود گمان برد که رویدادها در طبیعت براساس قانون معیّن شود، یا حتّی این‌طور تصوّر کرد که سیر آن‌ها کاملاً نامنظّم باشد، درحالی‌که با قانونمندی آماری دیگر نمی‌توان چیزی نزد خود تصوّر کرد. به‌عکس آنچه گفتیم، باید این نکته را یادآوری کنیم که در زندگی روزانه چپ‌وراست با قانون‌های آماری‌ای سروکار داریم که آن‌ها را اساس زندگی عملی خود می‌دانیم. مثلاً وقتی مهندسی نیروگاهی می‌سازد، بنای کارش را بر میانگین سالانۀ نزولات آسمانی قرار می‌دهد، هرچندکه نمی‌تواند گمان کند که چه‌وقت باران خواهد آمد و چقدر.

قانونمندی‌های آماری بنابه‌قاعده به‌این معناست که آن نظام فیزیکی موردنظر را فقط ناقص می‌توان شناخت. شناخته‌شده‌ترین مثال‌ها، همان بازی با تاس است. ازآنجایی‌که هیچ طرف تاس با طرف دیگرش فرقی ندارد، و ماهم به‌این سبب به‌هیچ صورتی نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم که تاس در پرتاب بر چه طرفی فرود می‌آید، می‌توانیم گمان گنیم که در پرتاب تاس به‌شمار خیلی زیاد همان‌قدر شش داریم که پنج.

با آغاز دوران جدید، درهمان سال‌های آغازین به این کار دست زدیم تا رفتار مواد را، نه‌فقط ازنظر کیفی، بلکه ازنظر کمّی هم، با رفتار آماری اتم‌هایش توضیح دهیم. درهمان زمان رابرت بویل نشان داد که می‌توان به رابطۀ میان فشار و حجم در گازی پی‌برد، به‌شرط‌ آنکه بتوان فشاری را که ضربه‌های مکّرر هریک از اتم‌ها بر جدارۀ ظرف وارد می‌کند، توضیح داد. به‌همین شیوه، رویدادهای ترمودینامیکی‌ای را توضیح دادیم که در آن‌ها چنین فرض کردیم که اتم‌ها در جسم گرم سریع‌تر از جسم سرد حرکت می‌کند. و از این راه هم توانستیم تا به این گزاره، صورتی ریاضی دهیم و فهم قوانین نظریّۀ حرارت را ممکن کنیم.

این کاربرد آماری قانونمندی‌ها، شکل نهایی خود را در نیمۀ دوم سدۀ پیشین با آنچه دراصطلاح مکانیک آماری نامیده می‌شود، یافت. در این نظریّه، که در اصول خود به‌سادگی از مکانیک نیوتونی نتیجه می‌شود، به مطالعۀ آن نتایجی پرداختیم که از شناخت ناقص از نظام مکانیکی‌ای پیچیده به‌دست می‌آید. امّا دراینجا اصولاً هم از علّت‌کرایی چشم‌پوشی نکردیم، و پیش خود گمان کردیم که رویدادها منفرداً براساس مکانیک نیوتونی کاملاً مشخّص می‌شود. امّا بر همین فکر هم این نکته را افزودیم که خواصّ مکانیکی آن نظام، کاملاً هم بر ما شناخته‌شده نیست. گیبس و بولتس‌مان توانستند به آن نوع از شناخت ناقص در صورتبندی ریاضی‌اش پی ببرند، و به‌خصوص گیبس توانست نشان دهد که ازقضا مفهوم دما به‌طور تنگاتنگ با این نقص ما از شناخت پیوند دارد.

وقتی دمای نظامی را می‌شناسیم، این به این معناست که آن نظام، نظامی است که از دسته‌ای از نظام‌های هم‌ارز درست شده است. این دسته از نظام‌ها را می‌توان ازنظر ریاضی تشریح کرد، امّا نه آن نظام خاصّی را که با آن کار داریم. گیبس درواقع آن گامی را نیمه‌آگاه برداشت که بعدها مهم‌ترین نتایج را باخود به‌همراه آورد. گیبس برای اوّلین بار مفهوم فیزیکی‌ای را وارد کرد که آن را می‌توانستیم درمورد آن شیئی در طبیعت به‌کار بگیریم که شناختمان از آن شیء ناقص بود. برای مثال اگر حرکت و مکان همۀ مولکول‌ها در گازی بر ما شناخته‌شده بود، آن‌وقت دیگر اصلاً بی‌معنا بود تا از دمای آن گاز چیزی بگوییم. مفهوم دما تنها آن زمانی کاربرد دارد که نظام به‌طور ناقص بر ما شناخته‌شده باشد و ما هم بخواهیم از همین شناخت ناقص نتایج آماری موردنظر خود را استخراج ‌کنیم.

۳. خصلت آماری نظریّۀ کوانتومی

اگرچه از زمان کشف بولتس‌مان و گیبس تاکنون، این شناخت ناقص از نظامی را، به‌این شیوه در صورتبندی قوانین فیزیک می‌گنجانیم، بازهم اساساً به آن علّت‌گرایی تا زمان کشف مشهور ماکس پلانک، که "نظریّۀ کوانتومی" با آن آغاز می‌شود، پای‌بند ماندیم. پلانک درآغاز با کارهای خود دربارۀ نظریّۀ تابش تنها عنصری از ناپیوستگی را در پدیدۀ تابش یافته بود. او نشان داده بود که اتم درحال‌تابش انرژی‌اش را پیوسته پس نمی‌دهد، بلکه آن را به‌طور ناپیوسته به‌دفعات پس می‌دهد. این پس‌دادن انرژی، که هم ناپیوسته است و هم به‌دفعات صورت می‌گیرد، دوباره به اینجا انجامید که گسیل تابش پدیده‌ای آماری است، همان‌طورکه تصوّرمان از نظریّۀ اتمی این‌طور بود. امّا بازهم باید بیست‌وپنج سال سپری می‌شد تا بر ما روشن شود که نظریّۀ کوانتومی به‌واقع ما را به این کار ناگزیر می‌کند تا حتّی آن قوانین را هم به‌صورت قوانین آماری صورتبندی کنیم و از علّت‌گرایی هم اصولاً منحرف شویم.  

نظریّۀ پلانک از زمان کارهای اینشتین، بور و زومرفلد، خود کلیدی بود که توانست دروازۀ همۀ حوزۀ فیزیک اتمی را بر ما بگشاید. به‌کمک گردۀ اتمی بور-رادرفورد فرایندهای شیمیایی بر ما معلوم شد، و از آن زمان به‌بعد هم شیمی، فیزیک و اخترفیزیک یک‌پارچه شد. امّا به‌هنگام صورتبندی ریاضی قوانین نظریّۀ کوانتومی ناگزیر شدیم تا از علّت‌گرایی محض دست برداریم. و چون دراینجا هم نمی‌توانم از این احکام ریاضی چیزی بگویم، تنها آن صورتبندی‌هایی مختلفی را به‌دست می‌دهم که در آن‌ها آن وضع شگفتی بیان می‌شود، که فیزیک‌دانان خود را در فیزیک اتمی دربرابر آن یافته بودند.

انحراف از فیزیک کلاسیک را می‌توان یک‌باره با دراصطلاح "روابط عدم‌قطعیّت" بیان کرد. دراینجا به این واقعیّت می‌رسیم که امکان ندارد تا مکان و سرعت ذرّه‌ای اتمی را، هردوباهم را، درعین‌حال با دقّت دلخواهی به‌دست دهیم. یا می‌توانیم مکان را خیلی دقیق اندازه‌گیری کنیم، که آن‌وقت دیگر به‌دلیل مداخلۀ ابزارهای مشاهده، شناخت از سرعت به‌میزانی تیره می‌شود؛ یا به‌عکس شناخت از مکان به‌دلیل اندازه‌گیری دقیق سرعت تیره می‌شود، به‌طوری‌که حاصل‌ضرب این دو عدم‌دقّت در ثابت پلانک کرانی از پایین پیدا می‌کند. این صورتبندی درهمه‌حال روشن می‌کند که دیگر با مفاهیم مکانیک نیوتونی نمی‌توانیم کاری ازپیش ببریم؛ زیرا در محاسبۀ جریانی مکانیکی لازم است تا مکان و سرعت را در زمان معیّنی، هردو را باهم درعین‌حال دقیق بدانیم؛ امّا چنانچه دیدیم این کار ازقضا در نظریّۀ کوانتومی ممکن نیست.

صورتبندی دیگری را نیلس بور پرداخته است که خود مفهوم "مکملبّت" را وارد کرده است. او منظورش از این کار این است که تصاویر روشن متفاوت باهم،  که با آن‌ها نظام‌های اتمی را تشریح می‌کنیم، هرچند برای برخی از آزمایش‌ها کاربردشان کاملاً بجا باشد، یکدیگر را متقابلاً نفی می‌کند. یرای مثال می‌توان اتم ازنظر بور را نظامی از سیّارات درمقیاس کوچک دانست که آن را می‌توان تشریح کرد: در وسط، هستۀ اتم است و در اطراف آن الکترون، که به‌دور هسته می‌چرخد. امّا در آزمایش دیگری شاید مناسب باشد تا این‌طور پیش خود تصوّر کنیم که هستۀ اتم را نظامی از موج دربر گرفته است که در آن بسامد موج معیاری بر آن تابشی است که از اتم گسیل می‌شود. سرانجام هم می‌توان اتم را شیئی دانست که موضوع شیمی است، که در آنجا می‌توان گرمای حاصل از وا‌کنش به‌هنگام پیوستن به دیگر اتم‌ها را محاسبه کرد، بی‌آنکه بتوان درعین‌حال هم از حرکت الکترون چیزی گفت. این تصاویر متفات‌باهم، اگراز آن‌ها در جای درست استفاده کنیم، درست است، ولی یکدیگر را هم نقض می‌کند، و به‌همین سبب هم آن‌ها را مکمّل یکدیگر می‌دانیم. آن عدم‌قطعیّتی که به‌همراه هریک از این تصاویر می‌آید، و با رابطۀ عدم‌قطعیّت بیان می‌شود، دراینجا کفایت می‌کند تا جلوی بروز تضادهای منطقی میان این تصاویر متفاوت‌باهم گرفته شود.

از این اشارات، بی‌آنکه بخواهیم به ریاضیات نظریّۀ کوانتومی بپردازیم، می‌توان فهمید که شناخت ناقص از هر نظامی جزء ذاتی هر صورتبندی‌ای از نظریّۀ کوانتومی است. قوانین نظریّۀ کوانتومی هم باید از نوع آماری باشد. برای آنکه مثالی بیاوریم، می‌گوییم: می‌دانیم که هر اتم رادیوم، می‌تواند تابش-آلفا گسیل کند. نظریّۀ کوانتومی می‌تواند مدّعی شود که با چه احتمالی در واحد زمان، ذرّۀ-آلفا هسته را ترک می‌کند؛ امّا همین نظریّه نمی‌تواند لحظۀ دقیق آن را پیش‌بینی کند، یعنی این لحظه بنابه‌اصول نامعیّن است؛ و این‌طور هم نمی‌توان فرض کرد که شاید بازهم بعدها قانونمندی‌های تازه‌ای پیدا شود که به ما این امکان را بدهد تا این لحظۀ دقیق را معیّن کنیم؛ چون اگر بخواهد چنین باشد، آن‌وقت دیگر نمی‌توانیم بفهمیم که چرا آن ذرّۀ-آلفا را بازهم می‌توانیم موجی بدانیم که هستۀ اتم را ترک می‌کند. این نکته را به‌همین صورت تجربه اثبات می‌کند.

تجربیّات مختلفی که هم طبیعت موجی و هم طبیعت ذرّه‌ای این مادّۀ اتمی را نشان می‌دهد، با تناقضات خود، ما را ناگزیر به صورتبندی آماری این قانونمندی‌ها می‌کند. در فرایندها  به‌طورکلّی، این عنصر آماری فیزیک اتمی عموماً اهمیّتی ندارد، زیرا از قانونمندی‌های آماری برای چنین فرایندهایی به‌طور کلّی، احتمالی آن‌قدر بزرگ نتیجه می‌شود، که می‌توان گفت فرایند درعمل جبری است. امّا بازهم مواردی پیدا می‌شود که در آن‌ها رویداد به‌طور کلّی به رفتار یک یا کمتر از چند اتم وابسته است، آن‌وقت است که دیگر آن فرایند را به‌طور کلّی، فقط به‌طور آماری می‌توان پیش‌بینی کرد. مایلم دراینجا این مسئله را با مثال معروفی روشن کنم، که جندان هم دل‌شاد‌کننده نیست، یعنی با بمب اتمی.

در انفجار بمبی معمولی، می‌توان از روی وزن مادّۀ منفجره و ترکیب شیمیایی آن، قدرت انفجار را ازپیش حساب کرد. در انفجار بمب اتمی، هرچندکه می‌توان حدّبالا و حدّپایین قدرت انفجار را به‌دست داد، امّا محاسبۀ دقیق این قدرت انفجار ازپیش اصولاً ممکن نیست، زیرا این قدرت انفجار به رفتار چند اتم یا کمتر در فرایند احتراق وابسته است. درست به‌همین‌صورت در زیست‌شناسی هم به‌احتمالی فرایندهایی وجود دارد -همان‌طورکه یوردان به آن‌ها اشاره کرده است – که در آن‌ها اتم‌های منفرد، سیر فرایند به‌طورکلّی را هدایت می‌کند؛ به‌خصوص به‌نظر می‌رسد که این مورد در جهش‌های ژنی در فرایند توارث روی می‌دهد. این دو مثال نتایج عملی خصلت آماری نظریّۀ کوانتومی را روشن می‌کند؛ امّا همین سیر هم بیش از دودهه است که دیگر پایان پیدا کرده است، و دیگر هم نمی‌توان فرض را بر این نهاد که شاید در آینده در همین نقطه چیزی بتواند ازاساس تغییر کند.

۴. تاریخچۀ فیزیک اتمی جدید

باوجود آنچه گفتیم، در سال‌های اخیر بازهم به حوزۀ مسئلۀ علیّت نظر تازه‌ای افزوده شده است، که چنان‌که درآغاز گفتم، ریشه در پیشرفت‌های اخیر فیزیک اتمی دارد. آن پرسش‌هایی که امروز هم در مرکز توّجه فیزیک اتمی قرار دارد، همان‌های است که در تداوم منطقی خود از پیشرفت آن‌ها در دویست‌سال اخیر نتیجه شده است. به‌همین دلیل هم باید یک‌بار دیگر به‌اختصار به تاریخچۀ فیزیک اتمی جدید بپردازم.

درآغاز دوران جدید، مقهوم اتم با مفهوم عنصر شیمیایی پیوند داشت. عنصر اصلی از این راه مشخّص می‌شد که دیگر ازنظر شیمیایی شکسته نمی‌شد. به‌همین دلیل به هر عنصری نوعی معیّن از اتم تعلّق داشت. قطعه‌ای از عنصر کربن، منحصراً از اتم‌های کربن درست شده بود، قطعه‌ای از عنصر آهن، منحصراً از اتم‌های آهن. به‌همین سبب هم ناگزیر بودیم،  درست همان‌قدر انواع اتم داشته باشیم، که عنصر شیمیایی وجود داشت. امّا ازآنجایی‌که فقط نودودو عنصر شیمیایی می‌شناختیم، لازم بود که نودودو نوع از اتم هم داشته باشیم. امّا چنین تصّوری هم از دید پیش‌شرط‌های بنیادین نظریّۀ اتمی سبب رضایتمندی چندانی نبود. دراصل اتم‌ها باید با وضعیّت و حرکت خود کیفیّت مواد را روشن می‌کرد. این تصوّر تنها وقتی ارزش توضیح واقعی را دارد که اتم‌ها همه یکسان باشد، یاآنکه اگر اتم‌ها خود کیفیّتی ندارد، تنها انواع کمی از اتم وجود داشته باشد. امّا اگر ناگزیریم تا نودودو اتم مختلف از نظر کیفی داشته باشیم، آن‌وقت دیگر چندان هم از این خبر نصیبی نداریم که چیزهایی هم وجود داشته باشد که ازنظر کیفی متفاوت باشد.

فرض نودودو کوچک‌ترین ذرّه که از اساس هم بایکدیگر فرق کند، دیگر به‌این‌دلیل، مدّت‌هاست که خوشنودکننده نیست. پس به این فرض روی آوردیم که باید این کار ممکن باشد تا از این نودودو نوع اتم به شمار کوچک‌تری از ذرّات سازندۀ اولیّه برسیم. درابتدا کوشیدیم تا خود اتم‌های شیمیایی را مرّکب از تعداد کمی از ذرّات متشکّلۀ اصلی بدانیم. کوشش‌های اولیّه در این راه تا مواد شیمیایی را به‌یکیدگر تبدیل کنیم، همگی منتج از این پیش‌فرض بود که مادّه باید سرانجام واحد باشد. و درواقع هم در این پنچاه‌سال اخیر دیدیم که اتم‌های شیمیایی مرّکب است و فقط از سه سنگ‌بنای اوّلیّه درست شده است که ما آن‌ها را پروتون، نوترون و الکترون می‌نامیم.

هستۀ اتم از پروتون و نوترون درست شده است، و به‌دور همین هسته شماری الکترون می‌چرخد. مثلاً هستۀ اتم کربن شش الکترون دارد و شش نوترون، و این الکترون‌ها هم بافاصلۀ نسبتاً زیادی از هسته می‌چرخد. به‌جای آن نودودو نوع اتم مختلف، پس از پیشرفت‌هایی که در سال‌های سی نصیبمان شد، حالا دیگر سه کوچک‌ترین ذرّۀ مختلف داریم. به‌این معنا هم نظریّۀ اتمی درست در همان راهی پای نهاد که پیش‌فرض‌های بنیادین آن، آن را برایش ترسیم کرده بود. پس از آنکه ترکیب همۀ اتم‌های شیمیایی با این سه‌سنگ‌بنای اوّلیّه روشن شد، آن‌وقت باید این کار هم دیگر ممکن می‌شد تا عناصر شیمیایی را درعمل به‌یکدیگر تبدیل کنیم. و چنانچه می‌دانیم این تحقّق فنّی هم خیلی‌زود ازپی آن روشنگری فیزیکی آمد. پس از آنکه اتوهان شکافت اورانیوم را در سال ۱۹۳۸ کشف کرد، و پس از آن پیشرفت‌های فنّی‌ای که‌ متعاقب آن آمد، تبدیل عناصر به‌یکدیگر حتّی به‌مقیاس زیاد هم می‌تواند اجرا شود.

امّا در این دودهۀ اخیر هم، این تصویر دوباره کمی تیره‌وتار شده است. درکنار آن سه ذرّۀ بنیادی که پیشتر از آن‌ها اسم بردیم: پروتون، نوترون و الکترون، در سال‌های سی بازهم ذرّات دیگری یافتیم، و در این سال‌های اخیر هم شمار این ذرّات تازه طوری افزایش یافته است که سبب ترس شده است. دراینجا هم همواره حرف از ذرّات بنیادی‌ای است، که به‌عکس آن سه سنگ‌بنای اوّلیّه پایدار نیست، یعنی آنکه تنها برای زمان کوتاهی توانایی وجودی دارد. از این ذرّات که ما آن‌ها را مزون می‌نامیم، یرخی طول عمری حدود کسری از میلیونیم ثانیه دارد، و برخی دیگر حدود کسری از صدم همین زمان، دستۀ سومی، که نوعی است که بار الکتریکی هم ندارد، حتّی کسری از صدبیلیونیم ثانیه حیات دارد. اگر از این ناپایداری بگذریم، این ذرّات بنیادی تازه رفتاری مانند سه ذرّۀ پایدار بنیادی مادّه دارد.

در نگاه نخست چنین به‌نظر می‌رسد، گویی‌که دوباره ناگزیریم شمار زیادی از ذرّات بنیادی را پیش خود فرض کنیم که ازنظر کیفی متفاوت باشد؛ و این کار هم باتوجّه به پیش‌فرض‌های فیزیک اتمی خیلی مایۀ خوشنودی نیست. امّا از آزمایش‌هایی که در سال‌های اخیر انجام دادیم چنین برمی‌آید که ذرّات بنیادی می‌تواند در برخورد بایکدیگر، با جابه‌جایی انرژی زیاد، به‌یکدیگر تبدیل ‌شود. وقتی دو ذرّۀ بنیادی با انرژی حرکتی زیاد به‌یکدیگر برخورد می‌کند، از این برخورد ذرّات بنیادی تازه‌ای به‌وجود می‌آید؛ آن ذرّات اوّلیّه و انرژی آن‌ها هم به مادّۀ تازه‌ای تبدیل می‌شود. این امرواقع را می‌توان این‌طور به‌ساده‌ترین صورت تشریح کنیم که بگوییم همۀ ذرّات دراصل از یک مادّه درست شده است، همۀ این ذرّات تنها حالت‌های مانای متفاوت همان مادّه است. حتّی عدد سه هم، یعنی شمار سنگ‌بناهای بنیادی هم، باز به عدد یک تقلیل پیدا می‌کند. پس فقط مادّۀ واحد وجود دارد، ولی همین مادّۀ واحد می‌تواند در حالت‌های مانای گسسته و متفاوت باهم وجود داشته باشد. برخی از این حالت‌ها پایدار است، مانند حالت پروتون، نوترون و الکترون، و بسیاری دیگر ناپایدار است.

۵. نظریّۀ نسبیّت و لغو علّت‌گرایی

هرچندکه برپایۀ نتایج تجربی در سال‌های اخیر، دیگر جای شکّی‌ای باقی نمی‌ماند که فیزیک اتمی در این جهت پیش خواهد رفت، هنوز نتوانستیم آن قانونمندی‌های ریاضی‌ای را بفهمیم که این ذرّات براساس آن‌ها درست شده است. و این درست همان مسئله‌ای است که فیزیک‌دانان هم‌اکنون به آن می‌پردازند، چه در زمینۀ تجربی، با کشف ذرّات نو و مطالعۀ خواص آن‌ها، و چه به‌طور نظری، که در آنجا هم می‌کوشند تا خواص ذرّات بنیادی را به‌صورتی قانونمند به‌یکدیگر مرتبط کنند و آن‌ها را با فرمول‌های ریاضی بنویسند.

در اهتمام به این کار دشواری‌هایی در مفهوم زمان پیدا شد، که از آن‌ها پیشتر حرف زدم. وقتی به کار برخورد ذرّات بنیادی با انرژی‌های زیاد می‌پردازیم، ناگزیریم به ساختار مکان-زمان نطریّۀ نسبیّت خاص هم توجّه کنیم. در نظریّۀ کوانتومی پوستۀ اتمی این ساختار مکانی-زمانی اهمیّت چندانی ندارد، زیرا الکترون‌های پوستۀ اتمی باسرعت نسبتاً کمی حرکت می‌کند. امّا حالا در اینجا با ذرّات بنیادی‌ای سروکار داریم که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، به‌طوری‌که رفتار آن‌ها را تنها به‌کمک نظریّۀ نسبیّت می‌توانیم تشریح کنیم. اینشتین پنجاه‌سال پیش پی‌ برده بود که ساختار مکان و زمان آن‌قدر هم ساده نیست، آن‌طورکه ما آن را نزد خود درابتدا در زندگی روزانه تصوّر می‌کنیم. وقتی با گذشته همۀ آن رویدادهایی را در نظر داریم که دست‌کم ازنظر اصولی دربارۀ آن‌ها چیزی می‌توانیم بدانیم، و با آینده، همۀ آن رویدادهایی را مدّنظر داریم که بر آن‌ها دست‌کم ازنظر اصولی بازهم می‌توانیم تأثیری به‌جا بگذاریم، آن‌وقت ذهن سادۀ ما گمان می‌کند که میان این دو دسته رویداد تنها لحظۀ بی‌نهایت کوتاهی قرار دارد که می‌توانیم آن را لحظۀ حال بنامیم. و همین درست آن تصوّری بود که نیوتون آن را پایۀ مکانیک خود قرار داده بود.

امّا از زمان کشف اینشتین در سال ۱۹۰۵ تا امروز می‌دانیم که میان آنچه من همین‌حالا آینده و آنچه گذشته نامیدم، فاصلۀ زمانی متناهی‌ای قرار دارد، که امتداد زمانی آن به فاصلۀ مکانی میان رویداد و مشاهده‌گر وابسته است. پس حوزۀ حال به لحظۀ زمانی بی‌نهایت کوتاه محدود نمی‌شود. نظریّۀ نسبیّت فرضش این است که کنش‌ها اساساً نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور انتشار پیدا کند. امّا این ویژگی نظریّۀ نسبیّت حالا باتوجّه به روابط عدم‌قطعیّت نظریّۀ کوانتومی به دشواری‌هایی می‌انجامد. براساس نظریّۀ نسبیّت کنش‌ها تنها می‌تواند بر آن حوزۀ-زمانی-مکانی‌ای امتداد پیدا کند که کاملاً با آنچه دراصطلاح مخروط نور می‌نامیم، محدود شده باشد، یعنی با آن نقاط-زمانی-مکانی‌ای که یک موج نوری به آن‌ها برسد که از نقطۀ نوری فعّالی خارج شده باشد. ازسوی دیگر، این نکته هم در نظرّیۀ کوانتومی روشن است که تعیین دقیق مکان، یعنی تعیین دقیق حدود مکانی هم، عدم‌قطعیّتی بر روی سرعت را در پی دارد، که پایان‌دار نیست، و به‌همراه آن هم عدم‌قصعیّت بر روی تکان و انرژی را. این امرواقع درعمل به‌ آن شیوه‌ای روی می‌دهد که هرگاه بخواهیم صورتبندی ریاضی‌ای از برهم‌کنش ذرّات بنیادی به‌دست دهیم، همواره سبب بروز مقادیر بی‌نهایت بزرگ انرژی و تکان می‌شود، که به‌نوبۀ خود مانع می‌شود تا صورتبندی ریاضی رضایت‌بخشی به‌دست بیاید.

در سال‌های اخیر، برای رفع این دشواری‌ها مطالعات زیادی انجام شده است. امّا تاکنون هم نتوانسته‌ایم راه‌حلّ رضایت‌بخشی ارائه دهیم. تنها چیزی که به‌نظر می‌رسد عجالتاً کمک‌حال ما باشد، این است که این فرض را پیش بکشیم که در حوزه‌های-زمانی-مکانی خیلی کوچک، یعنی در حوزه‌هایی که از مرتبۀ بزرگی ذرّات بنیادی است، مکان و زمان به‌شیوۀ خاص خود محو می‌شود، یعنی به‌این‌صورت‌که در زمان‌هایی که خیلی کوچک باشد، حتّی خود مفاهیم پیش‌تر یا دیرتر را دیگر نمی‌توان به‌درستی تعریف کرد. مسلّم است که درکلّ در ساختار -مکان-زمان چیزی تغییر نمی‌کند، ولی باید این امکان را به‌حساب آورد که آزمایش‌ها دربارۀ فرایندهایی در حوزه‌های-زمانی-مکانی خیلی کوچک،  نشان از این داشته باشد که برخی از فرایندها به‌ظاهر ازنظر زمانی سیری به‌عکس آن چیزی داشته باشد که متناظر با سیر علّی آن‌هاست.

در این نقطه هم تازه‌ترین پیشرفت‌ها در فیزیک اتمی دوباره به پرسش دربارۀ قانون علّیت ‌پیوند دارد. اینکه آیا به‌واقع در اینجا هم باز تناقضات تازه‌ای در قانون علّیت،  انحرافات تازه‌ای از آن، پدیدار می‌شود، چیزی است که هنوز نمی‌توان دربارۀ آن حکم کرد. شاید در راه صورتبندی ریاضی قوانین علّیت در مورد ذرّات بنیادی بازهم امکانات تازه‌ای پدیدار شود تا بتوانیم آن دشواری‌هایی را که برشمردیم پشت‌سر بگذاریم. امّا همین‌حالا هم جای شک نیست که تازه‌ترین دستاوردهای فیزیک اتمی در سیر خود، در همین نقطه یک‌بار دیگر به حوزۀ فلسفه تسّری پیدا کند. به آن مسئله‌ای که مطرح کردیم تنها زمانی می‌توانیم پاسخی قطعی بدهیم که توفیق پیدا کرده باشیم تا قوانین طبیعی در حوزۀ ذرّات بنیادی را از نظر ریاضی معیّن کرده باشیم؛ مثلاً این نکته را بدانیم که چرا پروتون درست ۱۸۳۶ بار سنگین‌تر از الکترون است.

ازاینجا هم می‌فهمیم که فیزیک اتمی از تصوّرات علّت‌گرای بازهم بیشتر دور شده است. درابتدا از آغاز نظریّۀ اتمی تاکنون به‌این دلیل از آن دور شد که قوانینی که در فرایندها درکلّ معتبر بود، قوانین آماری بود. اگرچه در آن زمان علی‌الاصول علّت‌گرایی را حفظ کردیم، امّا درعمل شناخت ناقص خود از نظام‌های فیزیکی را به‌حساب می‌آوردیم. و سپس در نیمۀ اوّل سدۀ خود به‌این دلیل از آن دور شدیم که شناخت ناقص خود از نظام‌های اتمی را جزء سازندۀ اصولی آن نظریّۀ می‌دانستیم. و سرانجام در این سال‌های اخیر بازهم به‌این دلیل که به‌نظر می‌رسید در کوچک‌ترین فضا‌ و زمان‌، مفهوم امتداد زمانی با دشواری رودررو است، گرچه هنوز نمی‌توانیم بگوییم که چگونه روزی، گره این شگفتی به‌یک‌باره گشوده می‌شود. 

* * * *

* سخنرانی ایرادشده در دوازدهم فوریۀ ۱۹۵۲ در سنت‌گالن. انتشار اوّلیّه در مجّلۀ: اونیورسیتاس، دورۀ نهم، سال‌شمار: ۱۹۵۴، دفتر سوم، صفحات ۲۲۵ تا ۲۳۶ (شرکت انتشارات علمی، بامسئولّیت محدود، اشتوت‌گارت). 

* * * *

فهرست مطالب نسخۀ فارسی: فهم از طبیعت در فیزیک امروزی

 

۱- فهم از طبیعت در فیزیک امروزی                                                  7

۲- فیزیک اتمی و قانون علّیّت                                                         23

۳- آموزش سنّتی، علم و مغرب‌زمین                                                 33

    فهرست مطالب نسخۀ آلمانی                                                    43

منابع تاریخی (گردآوری ارنستو گراسی)                                           45

* دراین مرحله این آمادگی در Najafizadeh.org وجود ندارد تا به مرتّب‌کردن منابع کتاب بپردازد (یادداشت برنسخۀ فارسی).

 

فهرست مطالب نسخۀ آلمانی: فهم از طبیعت در فیزیک امروزی

Werner Heisenberg: Das Naturbild der heutigen Physik

 

I. DAS NATURBILD DER HEUTIGEN PHYSIK

۱. DAS PROBLEM DER NATUR                                                                                                                                          7

۲. DIE TECHNIK                                                                                                                                                                  12

۳. NATURWISSENSCHAFT ALS TEIL DES WECHSELSPIELES ZWISCHEN MENSCH UND NATUR                            15

II. ATOMPHYSIK UND KAUSALGESETZ

۱- DER BEGRIFF “KAUSALITÄT”                                                                                                                                     24

۲- DIE STATISTISCHE GESETZMÄSSIGKEIT                                                                                                                  25

۳- STATISTISCHER CHARAKTER DER QUANTENTHEORIE                                                                                        28

۴- GESCHICHTE DER NEUEN ATOMPHYSIK                                                                                                               30

۵- RELATIVITÄTSTHEORIE UND DIE AUFLÖSUNG DES DETERMINISMUS                                                           32

               

III Über das Verhältnis von Humanistischer Bildung, Naturwissenschaft und Abendland

۱. DIE TRADITIONELLEN GRÜNDE DER VERTEIDIGUNG HUMANISTISCHER BILDUNG                                     36

۲. DIE MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG DEE NATUR                                                                                          38

۳. ATOME UND HUMANISTISCHE BILDUNG                                                                                                            40

۴. NATURWISSENSCHAFT UND HUMANISTISCHE BILDUNG                                                                                 42

۵. DER GLAUBE AN UNSERE AUFGABE                                                                                                                    44

Historische Quellen (gesammelt von Ernesto Grassi)*

* Najafizadeh.org ne dispose pas actuellement de suffisamment de moyens pour poursuivre ce travail.

حسین نجفی‌زاده (نجفی زاده)، تهران، مهر ۱۳۹۵

——————————————————————–

© انتشار برگردان فارسی ورنر هایزنبرگ: فهم از طبیعت در فیزیک امروزی (فیزیک اتمی و قانون علیّت)، حسین نجفی‌زاده (نجفی زاده)، به سیاقی که در این وبگاه آمده، بدون اجازۀ کتبی از www.najafizadeh.ir ممنوع است.

© Copyright 2017 by www.najafizadeh.ir All Rights Reserved.