واقعیت چیست؟ قانون‌های فیزیکی وجود ندارند، از چشم اندازها باید کمک گرفت

مدت‌هاست دانشمندان به دنبال توضیح واحدی از مفهوم واقعیت هستند، این در حالیست که فیزیک مدرن، توصیف‌های مختلف یک سیستم را مجاز می‌داند، توصیف هایی که از طریق یک چشم انداز وسیع ریاضی به یکدیگر متصل شده‌اند. اکنون وقت دورریختن قوانین فیزیکی و سلام به چشم اندازهاست. با دیپ لوک همراه باشید…

فرض کنید از آلیس و باب خواسته شده غذایی تهیه کنند. آلیس به غذای چینی و باب به غذای ایتالیایی علاقه دارد. هر یک از آن‌ها دستور غذای مورد نظر خود را انتخاب می‌کنند، از یک فروشگاه محلی خرید و به دقت دستورالعمل تهیه غذا را اجرا می‌کنند، اما وقتی غذای خود را از فر خارج می‌کنند بشدت غافلگیر می‌شوند: هر دو غذا یکسانند. اما چطور ممکن است غذایی یکسان از مواد تشکیل دهنده‌ی متفاوت ایجاد شود؟ این سوالی است که در ذهن باب و آلیس ایجاد شده؛ این غذا چینی است یا ایتالیایی است؟ و آیا دستور تهیه غذا اشتباه بوده است؟

مسائلی از این دست را فیزیکدانان کوانتومی نیز تجربه می‌کنند، یعنی بارها، دو توصیف کاملا متفاوت از یک سیستم فیزیکی را پیدا کرده‌اند. در مورد فیزیک مدرن، به جای گوشت و سس، مواد تشکیل دهنده ذرات و نیروها هستند؛ دستورالعمل‌ها، فرمول‌های ریاضی هستند که معادلات را کدگذاری می‌کنند؛ و فرآیند پخت و پز، فرآیند کوانتومی شدن است که معادلات را به احتمال وقوع پدیده‌های فیزیکی تبدیل می‌کند. فیزیکدانان کوانتومی هم مانند آلیس و باب، از اینکه چگونه دستور العمل‌های مختلف به نتایج مشابه ختم می‌شود در حیرت به سر می‌برند!

آیا طبیعت، قوانین بنیادی خود را انتخاب کرده است؟ آلبرت اینشتین معروف بر این باور است که با توجه به اصول کلی، یک راه منحصر به فرد برای ساخت یک جهان ثابت و کارآمد وجود دارد. در دیدگاه اینشتین، اگر ماهیت فیزیک مدرن را به اندازه کافی و دقیق بررسی کنیم، تنها یک راه وجود خواهد داشت که تمام مولفه‌ها (از قبیل ماده، تابش، نیرو، فضا و زمان) همانند چرخ دنده‌ها، فنرها، عقربه‌ها و چرخ‌های یک ساعت مکانیکی منحصر به فرد برای حفظ زمان، در یکدیگر ادغام شده تا یک کار واقعی انجام پذیرد.

در حال حاضر مدل استاندارد فیزیک ذرات، مکانیسم محکمی است که از تعداد انگشت‌شماری از قوانین (مواد) تشکیل شده است. هنوز هم اعتقاد بر این است که به جای یک جهان منحصر به فرد، بی‌نهایت جهان وجود دارد. هنوز هم هیچ سرنخی برای این موضوع که چرا این ترکیب خاص از ذرات و نیروها، ساختار طبیعت را پایه‌ریزی می‌کنند، وجود ندارد. چرا شش طعم کوارکی، سه نسل نوترینو و یک ذره هیگز وجود دارد؟ علاوه بر این، ۱۹ ثابت طبیعت (اعداد مانند جرم و بار الکترون) در مدل استاندارد وجود دارد که باید در آزمایش‌ها اندازه‌گیری شوند. به نظر می‌رسد مقادیر این «پارامترهای آزاد» معنای عمیق‌تری نداشته باشند. از سویی، فیزیک ذرات، دنیایی مملو از شگفتی و ظرافت است و از سوی دیگر، یک واقعیت غیر قابل انکار بشمار می‌رود.

اگر دنیای ما تنها یکی از جهان‌های ممکن باشد، چگونه باید در تقابل با جهان‌های دیگر عمل کنیم؟ دیدگاه فعلی در برابر رویای کیهان منحصربفرد اینشتین قرار می‌گیرد. فیزیک مدرن فضای وسیعی از احتمالات را در بر می‌گیرد و سعی در فهم منطق کلی و همبستگی موجود میان آنها دارد. در واقع آنها از جوینده‌های طلا، به جغرافیدانان و زمین‌شناسانی تبدیل شده‌اند که نقشه‌ی چشم‌اندازهای مختلف را به طور دقیق مطالعه و نیروهایی که باعث تشکیل آن‌ها شده‌اند را بررسی می‌کنند.

نظریه ریسمان را می‌توان اصلی‌ترین عامل چنین تغییر شگرفی در فیزیکدانان در نظر گرفت. در حال حاضر، تنها نامزد قابل قبول برای نظریه‌ی طبیعت که می‌تواند توصیفی از تمام ذرات و نیروها از جمله گرانش، ارائه کند در حالی که از تمام قوانین منطقی و سخت مکانیک کوانتومی و نسبیت تبعیت کند، نظریه ریسمان است. خبر خوب اینکه نظریه ریسمان دارای پارامترهای آزاد نیست. در واقع این نظریه با اعداد و ارقام کاری ندارد. منطقی نیست که بپرسیم کدام نظریه ریسمان، جهان ما را توصیف می‌کند، چرا که فقط یک نظریه ریسمان وجود دارد. عدم وجود هر گونه ویژگی اضافی منجر به نتیجه‌ی مطلق می‌شود. تمام اعداد در طبیعت باید توسط خود فیزیک تعیین شود. هیچ «ثابت طبیعی» وجود ندارد، تنها متغیرهایی هستند که توسط معادلات ثابت می‌شوند (شاید به طور جدی پیچیده).

اما خبر بد اینکه فضای معادلات نظریه ریسمان، پیجیده و بزرگ است. این مشکل در فیزیک، غیر معمول نیست. ما به طور سنتی بین قوانین اساسی معرفی شده توسط معادلات ریاضی و راه حل‌های این معادلات تفاوت قائل می‌شویم. به طور معمول، تنها چند قانون وجود دارد، اما تعداد بی شماری از راه حل‌ها برای آن‌ها ممکن است (قوانین نیوتن را به یاد آورید). آنها واضح و ظریف هستند، اما طیف گسترده‌ای از پدیده‌ها (مانند سقوط یک سیب به مدار ماه) را نیز توصیف می‌کنند. اگر شما شرایط ابتدایی یک سیستم مشخص را می‌دانید، قدرت این قوانین به شما امکان می‌دهد معادلات را حل؛ و پیش‌بینی کنید که در آینده چه اتفاقی خواهد افتاد. ما انتظار یک راه حل منحصر به فرد که قادر به توصیف همه چیز باشد، نداریم.

در نظریه ریسمان، ویژگی‌های خاصی از فیزیک که ما معمولا آنها را قوانین طبیعت در نظر می‌گیریم (مانند ذرات و نیروهای خاص) در حقیقت بخشی از راه حل هستند. آنها توسط شکل و اندازه ابعاد اضافی پنهان تعیین می‌شوند. فضای این راه حل‌ها اغلب «چشم انداز» (landscap) نامیده می‌شود، اما این یک مفهوم ناشناخته است. حتی حیرت‌انگیز‌ترین کوه‌ها در مقایسه با عظمت این فضا، کم رنگند. اگرچه تنها جغرافیای این نظریه به وضوح درک شده، اما می‌دانیم که دارای ابعادی بزرگ است. یکی از ویژگی‌های خیره کننده‌تر این است که احتمالا همه چیز در این فضا به یکدیگر متصل است؛ یعنی دو مدل متفاوت با مسیری کاملا متفاوت، در نهایت به یکدیگر متصل می‌شوند. اگر جهان را به اندازه  کافی تکان دهیم (لرزش جهان)‌، قادر به حرکت از یک جهان ممکن به یک جهان دیگر خواهیم بود، پدیده‌ای که از لحاظ قوانین حاکم بر طبیعت و ترکیبی خاص از ذرات ابتدایی که واقعیت را تشکیل می‌دهند، تغییرناپذیر و غیرممکن خواهد بود.

اما چگونه می‌توان چشم‌انداز گسترده‌ای از مدل‌های فیزیکی جهان را که ممکن است دارای صدها بعد باشند کشف کرد؟ برای درک این مسئله در نظر گرفتن چشم‌انداز به عنوان یک بیابان توسعه نیافته که بیشتر آن در زیر لایه‌های ضخیم از پیچیدگی قابل قبول پنهان است، بسیار مفید و راه‌گشا خواهد بود. تنها در لبه‌های این بیابان، مکان‌های قابل سکونت را پیدا می‌کنیم. در این حدود مرزی، زندگی ساده و خوب است. در این مکان‌ها مدل‌های اساسی قابل درک برای فیزیکدانان یافت می‌شود. این مدل‌ها در توصیف دنیای واقعی ارزش کمی دارند، اما به عنوان نقطه شروعی مناسب برای کشف محل سکونت همسایگان ما بسیار مفید هستند.

نظریه الکترودینامیک کوانتومی (QED) که توصیف کننده برهمکنش بین نور و ماده است، مثال خوبی در این زمینه است. این مدل دارای یک پارامتر واحد به نام ثابت ساختاری ریز (α) است که نیروی میان دو الکترون را اندازه‌گیری می‌کند. از نظر عددی این پارامتر مقداری نزدیک به ۱/۱۳۷ دارد. در QED، تمام فرایندها را می‌توان ناشی از برهمکنش‌های ابتدایی در نظر گرفت. به عنوان مثال، نیروی دافعه‌ی بین دو الکترون می‌تواند به دلیل مبادله فوتون‌ها تجسم شود. QED از ما می‌خواهد همه‌ی روش‌های ممکن را که دو الکترون امکان مبادله‌ی فوتون دارند، مورد بررسی قرار دهیم، که در عمل بدان معنا است فیزیکدانان باید مقدار نامحدودی از معادلات پیچیده را بررسی و حل کنند. اما نظریه راه حل دیگری نیز ارائه می‌دهد: هر مبادله‌ی فوتون اضافی باعث ایجاد یک کمیت دیگر می‌گردد که باعث افزایش مقدار α بعلاوه یک مقدار نیروی اضافی است. از آنجایی که این مقدار از لحاظ عددی نسبتا کوچک است، این کمیت با افزایش میزان برهمکنش‌ها، تنها سهم کوچکی را تشکیل می‌دهند، بطوری که با تقریبی نزدیک به مقدار واقعی می‌توان آن را نادیده گرفت.

این نظریه‌های ضعیف متصل به یکدیگر، در حوالی چشم‌انداز پدیده‌های فیزیکی مدرن دیده می‌شوند. در این نواحی، قدرت نیروها کوچک است و این امکان را به ما می‌دهد تا در مورد لیست خرید ذرات ابتدایی و دستورالعمل محاسبه‌ی برهمکنش‌های میان آنان صحبت کنیم. اما اگر شتابزده عمل کنیم و وارد عمق این بیابان وسیع شویم، اتصالات ممکن، بزرگ شده و هر کمیت اضافی در این گستره اهمیت بیشتری می‌یابد. در این صورت امکان تشخیص ذرات مجزا غیرممکن می‌شود.

با این حال، همه چیز از بین نمی‌رود. گاهی اوقات مسیر بیابان تاریک به انتهای روشن دیگری می‌رسد. به عبارت دیگر، یک مدل کاملا کنترل شده، این بار از یک مجموعه کاملا متفاوت از ذرات و نیروها ساخته شده است. در چنین مواردی، دو دستورالعمل جایگزین برای همان فیزیک پایه همانند غذاهای آلیس و باب وجود دارد. این توصیف تکمیل کننده تحت عنوان مدل دوگانه نامیده می‌شود و به رابطه بین آن‌ها دوگانگی (dulity)  گفته می‌شود. ما می‌توانیم این دوگانگی‌ها را به عنوان یک تعمیم بزرگ از دوگانگی معروف موج-ذره کشف شده توسط هایزنبرگ در نظر بگیریم.

چرا این مسائل برای فیزیک مدرن هیجان انگیز است؟ اول از همه، نتیجه‌گیری این است که بسیاری از مدل‌های فیزیکی، اگر نه همه آن‌ها، بخشی از یک فضای عظیم مرتبط با هم هستند که در میان نتایج شگفت‌آور فیزیک کوانتومی مدرن قرار گرفته‌اند. این تغییر چشم انداز به ما می‌گوید که به جای کاوش یک مجمع الجزایر فردی، یک قاره عظیم را کشف کرده‌ایم. ما می‌توانیم چگونگی ارتباط این مدل‌ها را تشخیص داده و ساختارهای مشترک آنها را توصیف کنیم. ذکر این نکته مهم است که این پدیده تا حد زیادی مستقل از این سوال است که آیا نظریه ریسمان، دنیای واقعی را توصیف می‌کند یا خیر. این یک ویژگی ذاتی فیزیک کوانتومی است که این نظریه، برای ماندن و بقا وجود دارد، صرف نظر از اینکه «نظریه همه چیز» در آینده به چه چیزی تبدیل شود.

نتیجه‌گیری جالب‌تر این است که تمام توصیف‌های سنتی فیزیک بنیادی نیز باید نادیده گرفته شوند. در واقع ذرات، میدان‌ها، نیروها، تقارن، تنها تعاریفی مصنوعی از هستی، در مرزهای این چشم انداز وسیع از پیچیدگی‌های غیر قابل نفوذ بشمار می‌آیند. تصور فیزیک مدرن در واحدهای ساختاری ابتدایی، اشتباه و منجر به ایحاد محدودیت‌های جدی برای آن خواهد شد. شاید یک چارچوب بنیادین جدید وجود داشته باشد که قوانین اساسی طبیعت را به یکدیگر متصل و تمام مفاهیم آشنای فیزیکی را نادیده بگیرد. پیچیدگی‌های ریاضی و سازگاری نظریه ریسمان، انگیزه‌ی قوی برای این دیدگاه دراماتیک است. اما باید واقع‌گرا بود. به نقل از نیلز بور، تعداد اندکی از ایده‌های کنونی در مورد جایگزین مناسب برای ذرات و میدان‌های شناخته شده‌ی فیزیکی می‌توانند مورد توجه قرار گیرند. فیزیک آماده است مانند آلیس و باب، دستورات قدیمی را نادیده گرفته و اصول مدرن را با هم ترکیب نماید.