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

این‌که جهان ما از چه ساخته شده است یکی از پرسش‌های عمیقی است که همواره موضوع بحث فیلسوفان و فیزیکدانان از یونان باستان تاکنون بوده است. در نوشتار زیر که ترجمه‌ی مقاله‌ای در وب سایت Aeon به قلم چارلز سبنز (Charles Sebens) استاد فلسفه‌ی فیزیک در دانشگاه کلتک است، نگاه عمیقی به این موضوع خواهیم انداخت که اجزای بنیادی طبیعت از ذارت ساخته شده‌اند یا از میدان‌ها و یا از هر دوی آن‌ها. با دیپ ‌لوک همراه باشید …

مدت‌ها قبل، فلسفه و فیزیک به دو مسیر کاری مجزا تقسیم شده بودند. فلاسفه‌ی طبیعی یونان باستان درباره‌ی اجزای بنیادی طبیعت که همه‌چیز از آن‌ها ساخته شده است، می‌اندیشیدند. افلاطون سرگرم یک نظریه بود که می‌گفت همه‌چیز در کره‌ی زمین از چهار ذره‌ی بنیادی تشکیل شده ‌است. آن‌ها ذرات پایدار و مکعب‌شکل خاک، ذرات هرمی‌شکل و دردآور آتش، ذرات هشت‌وجهی هوا با نوک‌های کمتر‌تیز و به‌صورت معقولانه‌ای، ذرات گردِ بیست‌وجهی آب بودند. مانند ذرات موجود در فیزیک معاصر، افلاطون فکر می‌کرد که امکان ایجاد و از‌‌ بین‌ بردن این ذرات وجود دارد. به‌عنوان مثال، ذرات هشت‌وجهی هوا می‌توانستند با ترکیب دو ذره‌ی چهار‌وجهی آتش به‌وجود آیند.

درک ما از طبیعت، از زمان افلاطون، مسیری طولانی را پیموده است. ما یاد‌گرفته‌ایم که بیشتر جهان ما از اتم‌های گوناگونی که در جدول تناوبی عناصر گردآوری شده‌اند، تشکیل شده ‌است. همچنین آموخته‌ایم که خود اتم‌ها نیز از تکه‌های بنیادی‌تری ساخته شده‌اند. امروزه، فیلسوفانی که علاقه دارند بدانند همه‌ی چیزها‌ از چه ساخته شده‌، برای یافتن پاسخ‌ها به فیزیک معاصر می‌نگرند. اما یافتن پاسخ‌ها در فیزیک معاصر، به سادگی خواندن یک موضوع در کتاب درسی نیست. فیزیکدانان به‌طور ماهرانه‌ای به فراخور کاری که در دست انجام دارند، بین تصاویر مختلف واقعیت، جابه‌جا می‌شوند. کتب درسی برای آموزش شما نوشته شده‌اند و این‌که چگونه از ابزار ریاضیاتی فیزیک به‌طور موثرتری استفاده کنید، نه اینکه به شما بگویند معادلات، چه چیزی را توصیف می‌کنند. استخراج داستانی از دل ریاضیات، درباره‌ی این‌که واقعاً چه چیزی در طبیعت اتفاق می‌افتد، کار دشواری است. این‌گونه پژوهش‌ها وقتی که توسط فیلسوفان انجام می‌گیرد «فلسفه‌ی فیزیک» و هنگامی که توسط فیزیکدانان صورت می‌پذیرد، «مبانی فیزیک» درنظر گرفته می‌شود.

فیزیکدانان بهبودی را روی جدول تناوبی توسعه‌ داده و آن را «مدل استاندارد» نامیده‌اند. مدل استاندارد، نیروی خیلی مهمی مانند گرانش را دربر نمی‌گیرد و ممکن است به این نتیجه دست یابد که قطعاتی که توصیف می‌کند از چیزهای باز‌هم بنیادی‌تری (مانند ریسمان‌های مرتعش) ساخته شده‌اند. آن‌طور که گفته می‌شود، این مدل مانند نظریه گرانش ایزاک ‌نیوتن یا نظریه الکترومغناطیس ماکسول در همه‌جا عمومیت ندارد. ما انتظار داریم مدل استاندارد، بخش مهمی از فیزیک باقی بماند، بی‌توجه به آنکه چه اتفاقی در آینده رخ می‌دهد.

متاسفانه، روشن نیست که در مدل استاندارد چه چیزی جایگزین اتم‌های جدول تناوبی می‌شود. اجزای بنیادیِ ذراتِ کوانتومیِ واقعیت، میدان‌های کوانتومی، یا ترکیبی از هر دوی آن‌ها؟ قبل از درگیر شدن با این پرسش دشوار، اجازه دهید بحث در مورد ذرات و میدان‌ها در نظریه‌ی کلاسیکی (غیرِکوانتومی)، یعنی الکترودینامیک ماکسول را آغاز کنیم.

آلبرت اینشتین به واسطه‌ی اشتغال‌داشتن در تحقیقات بنیادی بر‌ روی الکترودینامیک، به سوی نظریه نسبیت خاص سوق یافت. پس از توسعه‌ی نسبیت خاص، او با والتر ریتز (Walther Ritz) در مورد روش صحیح فهم و فرمول‌بندی الکترودینامیک کلاسیک، وارد مباحثه شد. طبق این نظریه، دو الکترون وقتی در نزدیکی یکدیگر قرار می‌گیرند در جهات مخالف، از هم رانده خواهند شد. هر دوی آن‌ها بار منفی داشته و در‌نتیجه یکدیگر را دفع می‌کنند. ریتز در این مورد، عقیده داشت که برهمکنشی مستقیم بین دو الکترون روی می‌دهد که هر یک، دیگری را هل می‌دهد؛ حتی اگر آن‌ها یکدیگر را لمس نکنند. این برهمکنش، در خِلال فاصله‌ی جدا کننده‌ی دو الکترون در فضا و همچنین در زمان عمل می‌کند. با دقیق شدن در موضوع، می‌توان گفت که هر الکترون، در واقع به رفتار گذشته‌ی الکترون دیگر پاسخ می دهد (نه حالت فعلی‌اش).

اینشتین که از این کنش از راه دور بیزار بود، این برهمکنش را به صورت متفاوتی درک کرد. به باور او، به‌غیر از ذرات، بازیگران بیشتری در صحنه وجود داشتند. آن‌ها میدان‌ها بودند. از نظر اینشتین، هر الکترون، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند که در سراسر فضا امتداد می‌یابد. الکترون‌ها از یکدیگر دور می‌شوند، نه به این دلیل که از میانِ یک فاصله، مستقیماً برهمکنش دارند، بلکه به این دلیل که هر کدام از آن‌ها نیرویی از میدان دیگری را احساس می‌کند.

آیا الکترون‌ها نیروهایی را از میدان‌های الکترومغناطیسی خودشان احساس می‌کنند؟ هر دو پاسخِ مثبت یا منفی، به مشکل برمی‌خورد. نخست فرض کنید که پاسخ مثبت است. میدان الکترومغناطیسیِ یک الکترون همان‌طور که به آن نزدیک می‌شوید، قوی‌تر می‌شود. اگر الکترون را به مثابه یک توپ کوچک در نظر بگیرید، هر تکه‌ی آن توپ در محل خودش، نیروی برون‌سوی عظیمی از میدان مغناطیسی بسیار قدرتمندی را احساس خواهد کرد؛ لذا باید متلاشی شود. هانری پوانکاره حدس زد ممکن است نیروهای دیگری که اکنون «تنش های پوانکاره» (Poincaré stresses) نامیده می‌شوند، وجود داشته باشند که در مقابل این خود‌-دافعه مقاومت کرده و الکترون را حفظ کنند. اگر الکترون را به اندازه‌ی یک نقطه در نظر بگیرید، مشکل بدتر می‌شود. میدان و نیرو در محل الکترون بی‌نهایت خواهند شد.

اجازه دهید به جای آن فرض کنیم الکترون میدانی را که تولید کرده، احساس نمی‌کند. مشکلِ این فرض، آن است که شواهدی وجود دارد که الکترون از میدانش مطلع است. ذرات بارداری مانند الکترون‌ها، وقتی شتاب می‌گیرند، امواج الکترومغناطیسی تولید می‌کنند که این امر، انرژی مصرف می‌کند. در واقع، ما می‌توانیم اتلاف انرژی الکترون‌ها را هنگامی که این امواج را تولید می‌کنند، مشاهده کنیم. اگر الکترون‌ها با میدان خودشان برهمکنش داشته باشند، می‌توانیم آهنگ اتلاف انرژی در آن‌ها را به‌ وسیله‌ی طرز برهمکنش این امواج با الکترون، هنگامی که از آن می‌گذرند به درستی محاسبه کنیم. اما اگر الکترون‌ها با میدان خودشان برهمکنشی نداشته باشند، آن وقت روشن نیست که چرا اصلاً باید انرژی تلف کنند.

در پیشنهاد ریتز یعنی تماما ذره و نه میدان (all-particles no-fields proposal) هستند، الکترون با میدان خودش برهمکنش نخواهد داشت، زیرا چنین میدانی برای برهمکنش اصلاً وجود ندارد. هر الکترون، نیروها را فقط از ذرات دیگر احساس می‌کند. اما اگر الکترون با خودش برهمکنش ندارد، چگونه می‌توانیم اتلاف انرژی آن را توضیح دهیم؟ اگر شما هم مانند اینشتین باور دارید که هم ذرات و هم میدان‌ها وجود دارند، یا مانند ریتز می‌اندیشید که فقط ذرات وجود دارند، باید بدانید که با مشکل روبرو می‌شوید.

اینشتین و ریتز از دو سویِ یک بحث سه گزینه‌ای دفاع کردند؛ گزینه‌ی سومی هم وجود دارد: شاید ذرات وجود نداشته و فقط میدان‌ها وجود داشته باشند. در سال ۱۸۴۴، مایکل فارادی به بررسی این گزینه در دست‌نوشته‌ای منتشر نشده و یک گمانه‌زنیِ کوتاهِ منتشر شده پرداخت. توصیف فیزیک اجسام جامد و سخت با شکل‌ها و اندازه‌های مختلف که به یکدیگر برخورد کرده و از هم دور می‌شوند را می‌توان به راحتی تصور کرد. با این‌حال، هنگامی که دو ذره‌ی باردار (مانند الکترون) به وسیله‌ی جاذبه یا دافعه‌ی الکتریکی برهمکنش می‌کنند، در واقع یکدیگر را لمس نمی‌کنند. هر کدام، فقط نسبت به میدان الکترومغناطیس دیگری واکنش نشان می‌دهد. لذا اندازه و شکل ذرات، با برهمکنش ارتباطی ندارد، مگر زمانی که این ویژگی‌ها، میدان‌های اطراف ذرات را خیلی تغییر دهند. در‌نتیجه، فارادی از خودش پرسید: علت واقعی این امر چیست؟ آیا نمی‌توان فرض کرد که چنین هسته‌ای در یک ذره از ماده وجود ندارد؟ به عبارت دیگر، چرا ما باید فکر کنیم که یک هسته‌ی سخت در مرکز میدان مغناطیسی یک ذره وجود دارد؟ در اصطلاحِ مدرن، پیشنهاد فارادی چنین تعبیر شده است که ذرات را حذف کنیم و فقط میدان‌های مغناطیسی را نگه داریم.

در ۸ آگوست، در کنگره‌ی بین المللی منطق ۲۰۱۹، با نام روش‌شناسی و فلسفه‌ی علم و فناوری در پراگ، من به چهار فیلسوف دیگر فیزیک برای یک مباحثه‌ی رسمی با عنوان «ذرات، میدان‌ها یا هر دوی آن‌ها؟» پیوستم. ماتیاس فریش (Mathias Frisch) از دانشگاه لایب‌نیتسِ هانوفر، جلسه‌ی ما را با یک ارائه از بحث بین اینشتین و ریتز آغاز کرد. سپس سه سخنران دیگر، از دیدگاه‌های مخالف، یعنی نسخه‌های به‌روزشده‌ای از مواضع اینشتین، ریتز و فارادی دفاع کردند. سخنران دوم، ماریو هوبرت (Mario Hubert) از کلتک، در پی رهاییِ تصویر اینشتین از ذرات نقطه‌ای و میدان‌ها، از معضل خودبرهمکنشی (self-interaction) بود. او در مورد وضعیت فعلی ایده‌های گوناگون درباره‌ی چگونگی حل این مشکل بحث کرد. یکی از این ایده‌ها از پُل دیراک می‌آمد، یک نابغه‌ی ریاضی که کمک‌های شگرفی به فیزیک کوانتومی نوپا کرد. نام دیراک در بخشی از مدل استاندارد که الکترون‌ها را توصیف می‌کند، پدیدار می‌شود.

دیراک در مقاله‌ای در سال ۱۹۳۸، برای مطالعه‌ی معضل خودبرهمکنشی در الکترودینامیک کلاسیک، از فیزیک کوانتومی یک گام به عقب برگشت. او اصلاحی برای قوانین الکترودینامیک پیشنهاد داد که روشی که میدان‌ها بر‌اساس آن بر ذرات، اعمال نیرو می‌کردند را تغییر می‌داد. معادله‌ی جدید ارائه‌شده برای یک ذره‌ی نقطه‌ای، هرگونه برهمکنش ذره با میدان مغناطیسی خودش را حذف کرده، و شامل عبارت جدیدی می‌شد که نوعی خودبرهمکنشی را که ما واقعا می‌بینیم، تقلید می‌کرد. همان خودبرهمکنشی که باعث می‌شد یک ذره هنگامی که امواج را می‌سازد، انرژی از دست دهد. با این‌حال، معادله‌ی پیشنهادیِ دیراک، برخی ویژگی‌های عجیب و غریب داشت، مانند «پیش‌شتاب» (pre-acceleration). پیش‌شتاب بدین معنی است که یک ذره قبل از این‌که شما با ضربه زدن، نیرویی به آن وارد کنید، ممکن است شروع به حرکت کند!

در دهه‌های ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰، یک راهبردِ متفاوت توسط چهار فیزیکدان برجسته دنبال شد: ماکس بورن (که به‌واسطه‌ی قاعده‌ی بورن مشهور است. این قاعده، چگونگی محاسبه‌ی احتمالات در فیزیک کوانتومی را بیان می‌کند)، لئوپولد اینفلد (کسی است که کتابی محبوب در فیزیک مدرن را به‌نام «تکاملِ فیزیک» به همراه اینشتین نوشت)، فریدریش بوپ (کسی که جزو برنامه‌ی تحقیقاتی هسته‌ای آلمان در خلال جنگ جهانی دوم بود و پس از جنگ، بیانیه‌ای را علیه تسلیحات هسته‌ای در آلمان غربی امضا کرد) و بوریس پودولسکی (نویسنده‌ی همکار در مقاله‌ای که اروین شرودینگر را جهت ابداع اصطلاح «درهم تنیدگی» برانگیخت و باعث شد او گربه‌ی رازآلودش را معرفی کند). این فیزیکدانان، روش‌هایی جهت تغییر قوانین پیشنهاد کرده که مشخص می‌کردند چگونه ذرات، میدان‌های الکترومغناطیسی را تولید می‌کنند، به‌طوری که میدان‌های تولید شده به‌وسیله‌ی ذرات نقطه‌ای، هرگز بی‌نهایت قوی نشوند.

هنگامی‌که این قوانین را تغییر دهید، می‌بینید که تغییرات زیادی رخ می‌دهد. همان‌طور که هوبرت در ارائه‌اش توضیح داد، ما به‌طور کامل نتایج این تغییرات را درک نمی‌کنیم. به‌خصوص، هنوز روشن نیست که آیا پیشنهادات بورن، اینفلد، بوپ و پودولسکی، قادر به حل مسئله‌ی خودبرهمکنشی خواهند بود و در مورد حرکت ذرات، پیش بینی‌های درستی خواهند کرد یا نه.

ممکن است احساس کنید که همه‌ی این حرف‌‌ها از فیزیک کلاسیک به ما رسیده است، چیزی که از موضوع بحث ما خیلی فاصله دارد. آیا قرار نیست برای درک آن‌چه مدل استاندارد فیزیک کوانتومی در ‌مورد این‌که چیزها از چه ساخته شده‌اند به ما می‌گوید، تلاش کنیم؟

ادامه دارد…