پروژه فیزیک ولفرام رونمایی شد : راهی به سوی نظریه بنیادی فیزیک!

استفان ولفرام، فیزیکدان، ریاضیدان، دانشمند علوم کامپیوتر و کارآفرینی ۶۰ ساله است که نرم‌افزار مشهور متمتیکا و همچنین موتور جستجوی ولفرام‌آلفا را بنیان نهاده است. ولفرام خلاق، دو روز پیش در سایت رسمی خود، از شروع به کار پروژه‌ی جدیدی به نام «پروژه فیزیک ولفرام» خبر داد که به ادعای خودش می‌تواند مسیر جدیدی به سوی یافتن نظریه‌ی بنیادی فیزیک باز کند. این پروژه‌ جذاب که با ایده‌های ساده‌ی ریاضیاتی آغاز می‌شود، به طور جالبی می‌تواند به مدل‌های پیچیده‌ای منجر گردد که به پدیده‌های ظهوریافته و پیچیده‌ی فیزیک از جمله فضا، زمان، نسبیت و مکانیک کوانتومی ارتباط می‌یابند. با آنکه در حاضر، مجموعه ویدئوهای «بزرگ‌ترین ایده‌های جهان» شان‌ کارول از دیپ لوک در حال انتشار است، اما این پروژه آنقدر جذاب و البته داغ است که ترجیح دادیم آن را همین حالا منتشر کنیم.

نوشتار زیر، خلاصه‌ای از توضیحات استفان ولفرام در خصوص «پروژه فیزیک ولفرام» در وب‌سایت شخصی وی است که به زبان غیررسمی نوشته شده است. بی‌معطلی شما را به مطالعه‌ی آن دعوت می‌کنیم.

من هرگز چنین انتظاری نداشتم، برای من بسیار هیجان‌انگیز است. راستش را بخواهید، در بعضی از مراحل، نزدیک به ۵۰ سال در این راستا کار کرده‌ام؛ اما سرانجام فقط در چند ماه گذشته نتیجه داد؛ و بسیار شگفت‌انگیزتر و زیباتر از چیزی است که تصور می‌کردم.

از بسیاری جهات، این سوال نهایی در علوم طبیعی وجود دارد: جهان ما چگونه کار می‌کند؟ آیا یک نظریه‌ی بنیادی وجود دارد؟ در طی چند صد سال گذشته، میزانی باورنکردنی در مورد فیزیک فهمیده‌ایم، اما حتی با وجود تمام کارهایی که انجام شده -و بسیار چشمگیر است – ما هنوز هم، نظریه‌ای بنیادی برای فیزیک نداریم.

باید اعتراف کنم وقتی فیزیک نظری کار می‌کردم، در مورد یافتن یک نظریه بنیادی خیلی فکر نکردم. دغدغه‌ی من بیشتر، چیزهایی بود که می‌‌توانستیم بر اساس نظریه‌هایی که داشتیم بفهمیم. و به نوعی فکر می‌کنم تصور می‌کردم اگر یک نظریه اساسی وجود داشته باشد، به ناچار بسیار پیچیده خواهد بود. اما در اوایل دهه ۱۹۸۰، وقتی شروع به مطالعه جهان محاسباتی برنامه‌های ساده کردم، کشف بسیار شگفت‌انگیز و مهمی نمودم: حتی وقتی که قوانین اساسی برای یک سیستم، فوق‌العاده ساده است، رفتار سیستم به عنوان یک کل می‌تواند به طور دلخواه غنی و پیچیده باشد.

و این باعث شد من فکر کنم: آیا جهان می‌تواند به این شیوه کار کند؟ در واقع آیا زیر این همه غنا و پیچیدگی که در فیزیک می‌بینیم، می‌تواند قوانین ساده‌ای وجود داشته باشد؟ خیلی زود فهمیدم اگر اینگونه باشد، در واقع باید فضا و زمان و اساساً هر آنچه می‌دانیم را زیر پا بگذاریم. قواعد ما باید در سطح پایین‌تری عمل کنند و تمام فیزیک فقط باید ظهور کند. در اوایل دهه ۱۹۹۰، من یک ایده قطعی در مورد چگونگی عملکرد این قواعد داشتم و در اواخر دهه ۱۹۹۰ پیامدهای آن‌ها در مورد فضا، زمان، جاذبه و موارد دیگر در فیزیک را فهمیده بودم و اساساً به عنوان نمونه‌ای از آنچه می‌توان بر اساس مطالعه جهان محاسباتی با علم انجام داد، تقریباً ۱۰۰ صفحه از کتاب خود به نام «نوع جدیدی از علم» را به این موضوع اختصاص دادم.

من همیشه می‌خواستم یک پروژه بزرگ اجرا کنم تا ایده‌هایم را پیش‌تر‌ ببرم. سعی کردم در حدود سال ۲۰۰۴ شروع کنم، اما خیلی زود به سمت ساخت ولفرام‌آلفا و زبان ولفرام و مسائل پیرامون آن کشیده شدم. هر از گاهی دوستان فیزیکدان خود را می‌دیدم و با آن‌ها در مورد پروژه فیزیک خود صحبت می‌کردم. علاقه وجود داشت، اما اساساً این احساس حاکم بود که پیدا کردن یک نظریه بنیادی فیزیک، بسیار سخت است و فقط افراد دیوانه برای آن تلاش می‌کنند.

روش خاصی که من قواعد خود را تنظیم کردم، کمی انعطاف‌ناپذیر و متناقض به نظر می‌رسید. من در زندگی، به عنوان یک طراح زبان محاسباتی، مدام به سیستم‌های انتزاعی قواعد فکر می‌کردم. و اغلب تعجب می‌کردم که آیا ممکن است آن‌ها برای فیزیک مناسب باشند، اما هیچ وقت به جایی نرسیدم. تا اینکه ناگهان، در پاییز سال ۲۰۱۸ یک ایده کوچک پیدا کردم.

اگرچه این ایده، بسیار انتزاعی بود، اما از بعضی جهات، ساده و واضح بود. اما آنچه در مورد آن برایم مهم‌تر از همه بود، این بود که بسیار ظریف و حداقلی بود. سرانجام چیزی داشتم که احساس می‌کردم به عنوان یک احتمال جدی که می‌گوید فیزیک چگونه کار می‌کند، درست است. اما اتفاقات خارق‌العاده‌ای با زبان ولفرام در حال وقوع بود و من مشغول فکر کردن در مورد دستاوردهای یک زبان محاسباتی تمام عیار بودم. اما پس از آن، در مدرسه تابستانی سالانه ما در سال ۲۰۱۹ ، دو فیزیکدان جوان (جاناتان گورارد و ماکس پیسکونف) پیدا شدند که از آن ایده خوششان آمد و گفتند « فقط باید این ایده را دنبال کنید!». در دوران جوانی، فیزیک اشتیاق بزرگ من بود و در آگوست سال ۲۰۱۹، تولد بزرگی داشتم و فهمیدم که، بله، بعد از این همه سال واقعاً باید ببینم که آیا می‌توانم کاری کنم؟

بنابراین در اکتبر ۲۰۱۹ من – به همراه دو این فیزیکدان جوان که مرا تشویق کردند- کار را با جدیت شروع کردم. اکنون ما ابزارهای محاسباتی خوبی داشتیم که طی سال‌ها توسعه یافته بودند و این امر به ما کمک کرد. و طولی نکشید که ما شروع به یافتن چیزهایی کردیم که می‌توانم آن‌ها را «چیزهای جالب» بنامم. ما آنچه را که در دهه ۱۹۹۰ انجام داده بودم، به طور دقیق‌تری بازتولید کردیم. و از قواعد کوچک و بدون ساختار، فضا، زمان، نسبیت، جاذبه و نشانه‌های مکانیک کوانتومی بیرون می‌آمدند.

ما در حال انجام آزمایش‌های کامپیوتری زیادی بودیم که بینش‌ساز بودند؛ و به تدریج همه چیز واضح‌تر می‌شد. ما شروع به درک نحوه عملکرد مکانیک کوانتومی کردیم. بعد فهمیدیم انرژی چیست. ما یک استخراج کلی از انتگرال مسیر فاینمن، دوست و مربی‌ فقیدم پیدا کردیم. ما شروع به دیدن برخی ارتباطات عمیق بین نسبیت و مکانیک کوانتومی کردیم. تازه همه چیز تازه داشت سرجایش قرار می‌گرفت؛ تمام آن چیزهایی که من تقریباً ۵۰ سال در فیزیک فهمیده بودم و سرانجام شیوه‌ای داشتیم که ببینیم نه فقط چه چیزی درست است، بلکه چرا درست است.

من تا به حال تصور نمی‌کردم، چنین چیزی اتفاق بیفتد؛ انتظار داشتم شروع به کاوش در قواعد ساده کنیم و به تدریج، اگر خوش شانس باشیم، نشانه‌هایی راجع به ارتباطات با فیزیک بدست آوریم. در پایان، اگر می‌خواهیم یک نظریه بنیادی کامل برای فیزیک داشته باشیم، باید قاعده خاصی را برای جهان خود بیابیم. و من نمی دانم که این کار چقدر سخت خواهد بود و آیا یک ماه، یک سال، یک دهه یا یک قرن به طول خواهد انجامید. چند ماه پیش می‌گفتم حتی نمی‌دانم چارچوب مناسبی برای یافتن آن پیدا کرده‌ایم یا خیر؛ اما دیگر این را نمی‌گویم، چرا که این ایده، خیلی خوب کار کرده است. خیلی چیزها سر جایشان قرار گرفته‌اند. ما نمی‌دانیم آیا جزئیات دقیق نحوه تنظیم قواعدمان، صحیح است یا نه، یا اینکه قوانین نهایی چقدر می‌توانند ساده باشند. اما در این مرحله، من یقین دارم که چارچوب بنیادی ما به ما می گوید که اساسا فیزیک چگونه کار می‌کند.

این همیشه یک آزمایش برای مدل‌های علمی است تا مقداری که در آن قرار می‌دهید را با مقداری که از آن می‌گیرید، مقایسه کنید و من هرگز چیزی را حتی نزدیک به این مدل‌ ندیده‌ام؛ آنچه را در آن قرار می‌دهیم، تقریباً کوچک‌ترین چیزی است که می‌تواند باشد؛ اما آنچه از آن می‌گیریم، میزان عظیمی از پیشرفته‌ترین چیزهایی است که در مورد فیزیک شناخته شده است. آنچه برای من از همه شگفت انگیزتر است، این است که حداقل تاکنون ما به چیزی برنخورده‌ایم که مجبور باشیم بگوییم «اوه ، برای توضیح این، باید چیزی را به مدل خود اضافه کنیم». گاهی اوقات درک چگونگی عملکرد چیزها، کار ساده‌ای نیست، اما تاکنون همیشه این سؤال در مورد درک آنچه مدل می‌گوید، وجود داشته، نه اضافه کردن چیز جدیدی.

در پایین‌ترین سطح، قواعدی که ما داریم، در حداقل‌ترین حد ممکن است. آن‌ها در شکل خام خود، واقعاً درگیر تمام ساختار و ایده‌های غنی که مثلاً در ریاضیات وجود دارد، نیستند. اما به محض اینکه شروع به بررسی نتایج قواعد می‌کنیم، وقتی که بارها و بارها اعمال می‌شوند، معلوم می‌شود که آن‌ها به شکل ظریفی به بسیاری از ریاضیات شگفت‌انگیز اخیر مرتبط هستند.

چنین چیزی، به طور مشابه برای فیزیک نیز وجود دارد. به نظر می‌رسد ساختار اساسی مدل‌های ما تقریباً با همه چیزهایی که حداقل در قرن گذشته در فیزیک انجام شده، بیگانه است. اما با بررسی مدل‌های خود به این نتیجه رسیدیم که اتفاق شگفت انگیزی رخ داده است: متوجه شدیم که نه تنها یکی، بلکه بسیاری از چارچوب‌های نظری محبوب که در چند دهه گذشته در فیزیک دنبال شده‌اند، در واقع به طور مستقیم با مدل‌های ما ارتباط دارند.

من نگران بودم که این یکی از آن پیشرفت هایی در علم باشد که می‌گوید «باید قدیمی را بیرون بریزید». اینطور نیست. بله، ساختار اساسی مدل‌های ما متفاوت است. بله، رویکرد و روش‌های اولیه، متفاوت است. و بله، دسته‌ای از ایده‌های جدید مورد نیاز است؛ اما برای اینکه همه کارها انجام شود، لازم بود تا چیزهای زیادی را که دوستان فیزیکدان من طی چند دهه گذشته روی آن کار کرده‌اند، بنیان قرار دهیم.

و سپس نوبت آزمایش‌های فیزیک خواهد بود. اگر حتی دو ماه قبل از من سؤال می‌کردید که چه چیزی از طریق مدل‌های ما قابل آزمایش است، می‌گفتم هنوز راه زیادی تا آنجا داریم و احتمالاً تا زمانی که قاعده‌ی نهایی را پیدا نکرده‌ایم، اتفاق نخواهد افتاد. اما به نظر می‌رسد اشتباه می‌کرده‌ام.

بسیار خوب، پس چه کارهایی باید انجام دهیم؟ از گفتن اینکه من فکر می‌کنم مسیری به سوی نظریه‌ی بنیادی فیزیک پیدا کرده‌ایم، هیجان‌زده‌ام. ما یک الگوواره و چارچوب ایجاد کرده‌ایم (و بله، ابزارهای محاسباتی خوب و کاربردی نیز ساخته ایم). اما اکنون باید کار را تمام کنیم. ما باید با تعداد زیادی از محاسبات پیچیده، ریاضیات و فیزیک کار کنیم. و ببینیم آیا در نهایت می توانیم این پرسش را پاسخ دهیم که اساساً جهان ما چگونه کار می‌کند؟

این یک لحظه هیجان‌انگیز است و من می‌خواهم آن را به اشتراک بگذارم. من مشتاقانه منتظر هستم. اما این یک پروژه فقط برای من یا گروه کوچک ما نیست. این یک پروژه برای دنیاست. این کار وقتی انجام شود، یک موفقیت بزرگ خواهد بود. و من می‌خواهم آن را تا حد امکان به اشتراک بگذارم. بله، بسیاری از کارهایی که باید انجام شود، نیاز به دانش برتر فیزیک و ریاضی دارد؛ اما من می‌خواهم همه‌چیز را تا حد امکان در معرض نمایش بگذاریم تا همه بتوانند درگیر شوند. فکر می‌کنم آنچه رخ خواهد داد یک ماجراجویی روشنفکرانه بزرگ و تاریخی خواهد بود.

امروز به طور رسمی پروژه فیزیک خود را راه‌اندازی می‌‌کنیم. از اینجا به بعد، آنچه را که انجام می‌دهیم و هر آنچه را که در لحظه کشف می‌کنیم با جهان به اشتراک می‌گذاریم. (ما به زودی بیش از ۴۰۰ ساعت ویدئویی را که قبلاً ساخته‌ایم، منتشر خواهیم کرد). من تمام کارهای دهه ۱۹۹۰ خودم را منتشر می‌کنم و البته گروه ما تمام ابزارهای نرم‌افزاری خود را در اختیار همه می‌گذارد. همچنین برنامه‌های آموزشی هم در قالب این پروژه وجود خواهد داشت.

ما در حال ثبت نام «جهان‌های قابل توجه» هستیم. در حال حاضر تقریباً هزار قاعده وجود دارد. من هنوز هم فکر نمی‌کنم هیچکدام از آن‌ها جهان خود ما باشند، هرچند کاملاً مطمئن نیستم. اما امیدوارم به زودی فقط یک قاعده در ثبت‌ نام وجود داشته باشد که تمام خصوصیات مناسب را داشته باشد و ما به آرامی متوجه خواهیم شد که بله، این همان است؛ سرانجام جهان ما رمزگشایی شد.

پروژه فیزیک ولفرام چگونه کار می‌کند؟

من یک توضیح فنی ۴۴۸ صفحه‌ای نوشتم (بله، من چند ماه گذشته، حسابی مشغول بوده‌ام!). یکی دیگر از اعضای گروه ما (جاناتان گورارد) نیز، دو مقاله فنی ۶۰ صفحه‌ای نوشته است. مطالب دیگری نیز در وب‌سایت پروژه موجود است. اما در اینجا می‌خواهم خلاصه‌ای غیر فنی از برخی نکات مهم را بیان کنم.

همه چیز با چیزی بسیار ساده و بسیار بدون ساختار شروع می‌شود. ما می‌توانیم آن را به عنوان مجموعه روابط انتزاعی بین عناصر انتزاعی یا یک ابرگراف (یا در موارد ساده‌تر به عنوان یک گراف) در نظر بگیریم. ممکن است مجموعه‌ای از روابط مانند روبط زیر داشته باشیم

{{۱, ۲}, {۲, ۳}, {۳, ۴}, {۲, ۴}}

که می‌توانند توسط یک نمودار مانند نمودار زیر نشان داده شوند

تمام آنچه در اینجا مشخص می‌کنیم، روابط بین عناصر است (مانند {۲,۳}). ترتیبی که روابط را بیان می‌کنیم مهم نیست (اگرچه ترتیب در هر رابطه، مهم است). وقتی نمودار را ترسیم می‌کنیم، آنچه مهم است این است که چه چیزی به چیزی متصل است؛ طرح بالا، فقط یک انتخاب برای ارائه بصری است. همچنین فرقی نمی‌کند که عناصر را چه بنامیم. در اینجا از اعداد استفاده کرده‌ام، اما تمام آن چیزی که مهم است این است که عناصر، متمایز هستند.

ما با این مجموعه روابط یا نمودارها چه می‌کنیم؟ بارها و بارها یک قاعده ساده را روی آن‌ها اعمال می‌کنیم. در اینجا مثالی از یک قاعده ممکن داریم:

{{x, y}, {x, z}} → {{x, z}, {x, w}, {y, w}, {z, w}}

آنچه این قانون می‌گوید این است که دو رابطه را انتخاب کنید – از هرجای این مجموعه — و ببینید آیا عناصر موجود در آن‌ها با این الگو

{{x,y},{x,z}}

مطابقت دارد یا نه. دو x می‌توانند هرچیزی باشند، اما هر دو باید یکسان باشند و y و z می‌توانند هر چیزی باشند. اگر این الگو با عناصر مجموعه مطابقت داشت، این دو رابطه را با چهار رابطه در سمت راست جایگزین کنید. W عنصر جدیدی است که ایجاد می‌شود و تنها شرط، آن است که از همه عناصر دیگر، متمایز باشد. ما می توانیم این قاعده را به صورت تبدیل نمودارها نشان دهیم:

اکنون اجازه دهید یکبار این قانون را به مجموعه‌ی زیر اعمال کنیم:

{{۱, ۲}, {۲, ۳}, {۳, ۴}, {۲, ۴}}

روابط {۲,۳} و {۲,۴} با الگوی بیان‌شده در بالا مطابقت دارند، و قاعده‌ی مذکور، آن‌ها را با چهار رابطه‌ی جدید جایگزین می‌کند، بنابراین به مجموعه‌ی زیر می‌رسیم:

{{۱, ۲}, {۳, ۴}, {۲, ۴}, {۲, ۵}, {۳, ۵}, {۴, ۵}}

ما می‌توانیم این نتیجه را به صورت یک نمودار نشان دهیم:

خب، پس اگر بارها و بارها این قاعده را اعمال کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟ نتیجه این است:

بگذارید چند بار دیگر این کار را انجام داده و یک تصویر بزرگ‌تر ایجاد کنیم:

چه اتفاقی افتاد؟ ما چنین قاعده‌ی ساده‌ای داریم؛ با این وجود، بارها و بارها اعمال این قاعده، چیزی را ایجاد می‌کند که واقعاً پیچیده است. این چیزی نیست که شهود عادی‌مان به ما می‌گوید باید اتفاق بیفتد. اما در واقع – همانطور که برای اولین بار در اوایل دهه ۱۹۸۰ کشف کردم – این نوع تولید پیچیدگی ذاتی و خود به خودی در بین قواعد و برنامه‌های ساده، کاملاً فراگیر است. مثلا کتاب من (با نام نوع جدیدی از علم) در مورد این پدیده است و اینکه چرا برای علم و فراسوی آن، بسیار مهم است. اما آنچه اینجا در مورد آن مهم است، این است که می‌خواهد جهان ما و همه‌ی چیزهای موجود در آن را بسازد.

بیایید دوباره آنچه را که دیده‌ایم بررسی کنیم. ما با یک قانون ساده شروع کردیم که فقط به ما می‌گوید چگونه می‌توان مجموعه روابط را تغییر داد. اما آنچه ما از آن می‌گیریم، این شی پیچیده است که به نظر می‌رسد شکل مشخصی دارد. ما چیزی در مورد این شکل وارد نکردیم. ما فقط یک قاعده ساده را وارد کردیم و یک نمودار با استفاده از آن قاعده ساده، ساخته شد. و وقتی آن نمودار را بصری‌سازی می‌کنیم، به نظر می‌رسد که شکل مشخصی دارد.

اگر همه مواد موجود در جهان را نادیده بگیریم، جهان ما اساساً یک فضای بزرگ است. اما آن فضا چیست؟ حدود دو هزار سال است که ایده‌آل‌سازی‌ها و انتزاعات ریاضیاتی برای آن داشته‌ایم. اما فضا واقعاً چیست؟ آیا از چیزی ساخته شده، و اگر چنین است، از چه چیزی؟ من فکر می‌کنم فضا، بسیار شبیه تصویر فوق است. یک مجموعه کامل از آنچه که در اصل نقاطی انتزاعی هستند که به صورت انتزاعی به هم وصل می‌شوند. به جز اینکه در تصویر فوق، ۶۷۰۴ نقطه وجود دارد، در حالی که در جهان واقعی ما، شاید ۱۰^۴۰۰ نقطه شبیه به آن‌ها یا حتی خیلی بیشتر وجود داشته باشد.

ادامه‌ی این نوشتار و توضیحات تخصصی‌تر را می‌توانید در writings.stephenwolfram.com بخوانید.

ورود به وب‌سایت پروژه جدید ولفرام