نگاهی به اجزای بنیادی طبیعت : چیزها از چه ساخته شده‌اند؟ (قسمت دوم)

در قسمت اول این مقاله دیدیم که در پاسخ به این‌که اجزای بنیادی طبیعت چیستند و چیزها از چه ساخته شده‌اند، سه گزینه مورد بررسی قرار گرفت: نخست دیدگاه هم ذره هم میدان اینشتین، دوم دیدگاه تماما‌ذره‌ی ریتز و سوم دیدگاه تماما‌میدان فارادی. در این قسمت، دفاع سبنز از تصویر تماما‌میدان را پی می‌گیریم، و این‌که او برای رسیدن به پاسخی مطلوب در مورد اجزای سازنده ی جهان ما، چه پیشنهادی دارد. با دیپ لوک همراه باشید …

بخشی از مدل استاندارد که الکترون‌ها و میدان الکترومغناطیسی را توصیف می‌کند، الکترودینامیک کوانتومی نامیده می‌شود. الکترودینامیک کوانتومی به مثابه نسخه‌ی کوانتومی الکترودینامیک کلاسیک است. اساس آن‌ها به‌طور نزدیکی به هم ارتباط دارد. در اینجا می‌بینید که چگونه ریچارد فاینمن مباحثه‌ای درباره‌ی لزوم اصلاح الکترودینامیک کلاسیک ساخته‌شده توسط دیراک، بورن، اینفلد و پودولسکی را در فصلی از درسنامه‌های افسانه‌ای خود در کلتک به راه انداخت:

مشکلاتی مربوط به نظریه ماکسول وجود دارد که هنوز حل نشده‌اند و مستقیماً با مکانیک کوانتومی در‌ارتباط نیستند. ممکن است بگویید «نگرانی در مورد این مشکلات بی‌فایده است. از آن‌جایی که مکانیک کوانتومی در حال تغییر‌دادن قوانین الکترودینامیک است، باید منتظر بمانیم و ببینیم چه مشکلاتی بعد از این اصلاح وجود دارد». با این‌حال، وقتی الکترومغناطیس به مکانیک کوانتومی می‌پیوندد، مشکلات باقی می‌ماند. لذا اکنون، مرور این مشکلات، اتلاف وقت محسوب نمی‌شود.

در‌واقع، فاینمن فکر می‌کرد که این موضوعات از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. در سخنرانی‌‌اش که به محض دریافت جایزه‌ی نوبل در سال ۱۹۶۵ به‌خاطر کارهایش روی الکترودینامیک کوانتومی ارائه داد، بیشتر وقت خود را به بحث در مورد الکترودینامیک کلاسیک اختصاص داد. او با همکاری مشاور تحصیلات تکمیلی‌اش، جان ویلر (مشاور تعدادی از چهره‌های مهم دیگر، از جمله هیو اِورت، مبدع تفسیر کوانتومی جهان‌های چندگانه، و کیپ ثورن، چهره‌ی اصلی برنده‌ی جایزه‌ی نوبل سال ۲۰۱۷ برای آشکارسازی امواج گرانشی) یک تصور جدید افراطی از الکترودینامیک کلاسیک را پیشنهاد کرده بود.

ویلر و فاینمن نیز مانند ریتز، میدان مغناطیسی را دور ریخته و فقط ذرات را نگه داشتند. همان‌طور که پیشتر اشاره کردم، در نظریه میدان آزاد ریتز، ذرات از خلال فاصله‌ی موجود در فضا و زمان با هم برهمکنش دارند، به‌طوری که هر ذره به حالات گذشته‌ی ذرات دیگر پاسخ می‌دهد. در نظریه ویلر – فاینمن، ذرات به هر دو رفتار گذشته و آینده‌ی یکدیگر پاسخ می‌دهند.

مانند یک فیلم سفر در زمان، آینده می‌تواند بر گذشته اثر بگذارد. این یک ایده‌ی رام‌نشدنی است، اما به نظر می‌رسد که کارکرد دارد. در موقعیت‌های مناسب، این نسخه، پیش‌بینی‌های دقیقی در مورد حرکات ذرات، بدون هرگونه خودبرهمکنشی واقعی به دست می‌دهد.

در سخنرانی با عنوان «چرا نظریه‌‌های میدان، نظریه‌هایی از میدان‌ها نیستند؟»، سخنران سومِ مباحثه‌ی ما، داستین لازارُویچ از دانشگاه لوزان، طرف ریتز، ویلر و فاینمن را گرفت. در نظریه‌های کنش از راه دور که توسط این فیزیکدانان مطرح شد، فقط با نگاه کردن به آن‌چه ذرات دیگر در آن لحظه انجام می‌دهند، نمی‌توانید بگویید که یک ذره در یک لحظه‌ی خاص، چه خواهد کرد. همچنین نیازمند نگریستن به آن‌چه آن‌ها در گذشته انجام داده‌اند هستید (و شاید آنچه در آینده انجام خواهند داد). لازارُویچ استدلال کرد که میدان الکترومغناطیسی صرفاً یک دستگاه ساماندهیِ ریاضیاتیِ مفید است که از این اطلاعات در مورد گذشته و آینده رمزگشایی می‌کند، نه یک چیز واقعی که در جهان خارج وجود دارد.

سپس لازارُویچ از الکترودینامیک کلاسیک به سراغ الکترودینامیک کوانتومی رفت. او نیز مانند بسیاری از فیلسوفان فیزیک، معتقد است که فرمول‌بندی استاندارد الکترودینامیک کوانتومی، رضایت‌بخش نیست. زیرا این فرمول‌بندی‌ها، تصویر روشنی از آنچه در طبیعت روی می‌دهد، بدست نمی‌دهند. برنامه‌ی پژوهشی او برای برطرف‌کردن مشکلات این نظریه، دارای عناصر غیر استانداردی است.

اول این‌که لازارُویچ از این‌که الکترودینامیک کوانتومی از مسئله‌ی اندازه گیری رنج می‌برد، آگاهی دارد، و فکر می‌کند که ما باید راه‌حل پیشنهاد‌شده توسط دیوید بوهم را بپذیریم، یعنی فرض وجود ذرات نقطه‌ای که از تابع موج کوانتومی جدا هستند. دوم این‌که لازارُویچ می‌خواهد از یک نسخه‌ی الکترودینامیک کلاسیکی فاقد میدان، الکترودینامیک کوانتومی بسازد که در آن ذرات با یکدیگر مستقیماً برهمکنش می‌کنند (مانند ویلر و فاینمن). سوم این‌که، او ایده‌ی بحث‌انگیز دیراک را می‌پذیرد که فضا مملو از یک دریای وسیع از انرژی منفی الکترون‌هاست. دریای دیراک در کانون تحقیقات اخیر در الکترودینامیک کوانتومی بوده، اما در اکثر ارائه‌های معاصر از این نظریه، به آن توجهی نشده است.

این ایده‌ها به‌خوبی در کنار هم قرار می‌گیرند، و لازارُویچ امیدوار است که آن‌ها به ما اجازه دهند از بعضی از بی‌نهایت‌های ناخوشایندی که در الکترودینامیک کوانتومی رخ می‌دهند، جلوگیری کنیم. من کنجکاو هستم تا ببینم این رویکرد به کجا منتهی می‌شود. فاینمن در پایان سخنرانی جایزه‌ی نوبلش، در جانبداری از پژوهشی که از اصل جریان، منحرف شده است، ‌گفت:

پیشرفت در فیزیک ممکن است توسط کسی انجام شود که الکترودینامیک کوانتومی را از دیدگاهی عجیب و غیرمعمول به خودش آموزش داده و حتی ممکن است مجبور باشد آن را برای خودش اختراع کند.

وقتی نوبتِ من برای مشارکت در مباحثه رسید، از دیدگاه متفاوتی درباره‌ی الکترودینامیک کوانتومی دفاع کردم. به پیروی از فارادی استدلال کردم که ما باید از دست ذرات خلاص شویم و فقط میدان‌ها را داشته باشیم. با این‌حال، فکر نمی‌کنم که میدان الکترومغناطیسی به‌تنهایی کفایت کند. ما به میدان دیگری نیز نیاز داریم: میدان دیراک. میدانی که بیانگر الکترون (و همچنین پادذره‌ی الکترون یعنی پوزیترون) است.

در الکترودینامیک کلاسیکی، این رهیافت، ذرات الکترون نقطه‌ای را با توده‌ی پخش‌شده‌ای از انرژی و بار در میدان دیراک جایگزین می‌کند. از آن‌جایی که بار پخش شده است، میدان الکترومغناطیسیِ حاصل، که به وسیله‌ی این بار تولید شده است، در هیچ نقطه‌ای از فضا، به بی‌نهایت نخواهد رسید. این مسئله، از مشکل حاد خودبرهمکنشی می‌کاهد، اما آن را حل نمی‌کند. اگر بار الکترون پخش شده است، چرا قسمت‌های مختلف الکترون، یکدیگر را دفع نمی‌کنند به گونه‌ای که الکترون به‌سرعت متلاشی شود؟ این مسئله‌ای است که من برای درکش در‌ حال تلاش هستم.

این معضل را قبلاً هم در ایده‌ای که الکترون را یک توپ کوچک فرض می‌کرد، دیده بودیم. با این‌حال، شکل این پیشنهاد جدید، به‌کلی متفاوت است. در این پیشنهاد، هدف این نیست که مدل جدیدی از الکترون اختراع شود، بلکه به‌جای آن، هدف، یافتن یک مدل در میان معادلات موجود در الکترودینامیک کوانتومی است.

من نه به وسیله‌ی مطالعه خودبرهمکنشی، بلکه با دو ملاحظه‌ی دیگر، به این تصویری تمامامیدان (all-fields) رهنمون شدم: اول این‌که، من دریافتم این تصویر به درک یک خاصیت الکترون به نام اسپین، کمک می‌کند. دانش استاندارد جا‌افتاده در فیزیک کوانتومی این است که الکترون، از بسیاری جهات شبیه به یک جسم چرخان رفتار می‌کند اما نه واقعاً چرخان. الکترون هم می‌چرخد، هم نمی‌چرخد!

اگر الکترون نقطه‌ای باشد، منطقی نیست فکر کنیم که چرخش دارد. در‌عوض اگر الکترون را به‌عنوان یک توپ خیلی کوچک در نظر بگیریم، این نگرانی وجود دارد که جهت توجیه ویژگی‌هایش (که ما را به سمت واژه‌ی اسپین سوق می‌دهد)، مجبور است سریع‌تر از نور بچرخد. این نگرانی در مورد چرخش سریع‌تر از نور الکترون باعث شده بود، فیزیکدانانی که در دهه‌ی ۱۹۲۰ اسپین را کشف کردند، درباره‌ی انتشار نتایجش ناراحت باشند.

اگر الکترون، توده‌ای از انرژی و بار در میدان دیراک باشد که به اندازه‌ی کافی و به‌صورت گسترده پخش شده، نیازی نخواهد داشت که با سرعتی فراتر از نور حرکت کند. ما می‌توانیم نحوه حرکت انرژی و بار را مطالعه کنیم تا ببینیم آیا در یک مسیر دایره‌ای حول محوری مرکزی جریان می یابند یا نه. در‌واقع می‌خواهیم ببینیم که الکترون می‌چرخد یا نه. پاسخ مثبت است.

دومین مطلبی که مرا به سمت تصویر تمامامیدان سوق داد، این بود که فهمیدم ما هیچ راهی برای بررسی فوتون، به‌عنوان یک ذره در الکترودینامیک کوانتومی نداریم. دیراک، یک معادله اختراع کرد که رفتار کوانتومی یک الکترون منفرد را توصیف می‌کند، اما ما هیچ معادله‌ی مشابهی برای فوتون نداریم.

اگر به الکترون به‌عنوان ذره فکر کنید، باید به فوتون‌ها به صورت متفاوتی بیاندیشید. یعنی باید یا یکی از آن‌ها را حذف کنید (ایده‌ی لازارُویچ)، یا آن‌دو را به‌عنوان میدان تلقی کنید (ایده‌ی هوبرت). به عبارت دیگر، اگر به الکترون‌ها به مثابه میدان فکر ‌کنید، می‌توانید به فوتون‌ها نیز به همان شیوه بیاندیشید. من این هماهنگی را یکی از محاسن این تصویر تمامامیدان می‌بینم.

با توجه به همه‌ی مواضع مطرح شده، مباحثه‌ی سه‌جانبه میان اینشتین، ریتز و فارادی حل‌نشده باقی مانده است. ما در این زمینه قطعاً پیشرفت داشته‌ایم، اما پاسخی قطعی در اختیار نداریم. هنوز مشخص نیست که الکترودینامیک کلاسیک و کوانتومی در مورد واقعیت، چه چیزی به ما می‌گویند. آیا چیزها از ذرات تشکیل شده اند یا میدان ها و یا هر دوی آن‌ها؟

این پرسشی مرکزی و جبهه‌ای در پژوهش‌های فیزیک معاصر نیست. فیزیکدانان نظری معمولاً فکر می‌کنند که ما برای پیشرفت، درک به اندازه‌ی کافی خوبی از الکترودینامیک کوانتومی داریم، و حالا باید روی توسعه‌ی نظریه‌‌های جدید و یافتن روش‌هایی جهت آزمودن آن‌ها از طریق آزمایشات و مشاهدات کار کنیم.

این تلاش‌ها ممکن است مسیری رو به جلو باشد. با این‌حال، گاهی اوقات پیشرفت در فیزیک، نیازمند نگاهی به پشت سر، جهت بررسی مجدد، بازتفسیر و تجدید نظر در نظریه‌های پیشین است. برای انجام چنین پژوهشی، نیاز به محققانی داریم که نقش‌های فیزیکدان و فیلسوف را با هم تلفیق کنند، همان‌طور که این امر هزاران سال پیش در یونان باستان انجام شده بود.