پریگوژین در یک مصاحبه

پل باکلی – دیوید پیت

ایلیا پریگوژین، در سال 1296/1917، در مسکو متولد شد و در کودکی به بلژیک رفت و تمام دوران فعالیت علمی خود را تاکنون در آنجا گذرانده است. او استاد دانشگاه آزاد بروکسل است، و همچنین مدیریت "مرکز مکانیک آماری و ترمو دینامیک" را در دانشگاه تگزاس، در آستین، به عهده دارد. مهم‌ترین آثار استاد پریگوژین در علم ، کارهای او در زمینه‌های ترمودینامیک آماری و ترمودینامیک غیرتعادلی است. فرآیندهای غیر تعادلی با شارش‌های انرژی، با افت و خیزهایی که می‌توان آن‌ها را تقویت کرد، و با پدیدار شدن ساختارها مشخص می‌شوند. ساختارهایی که در وضعیت نا متعادل باقی می‌مانند " ساختارهای اتلافی" نام دارند و مشخصه‌ی فرآیندهای شیمیایی، زیستی، هوا شناختی، و اختر فیزیکی‌اند. نظریه‌ی ساختارهای اتلافی عمدتاً توسط ایلیا پریگوژین و دستیارانش، در بروکسل و آستین، پرداخته شده است. ایلیا پریگوژین به جنبه‌های فلسفی علوم جدید نیز دلبستگی عمیقی دارد. در سال 1977 جایزه‌ی نوبل در شیمی به پریگوژین اعطا شد؛ " به خاطر سهمی که در تکامل ترمو دینامیک غیر تعادلی و به خصوص در نظریه‌ی ساختارهای اتلافی داشته است."
پیت: اجازه می‌دهید، قبل از هر چیز، کمی در مورد مکانیک آماری گفتگو کنیم؟ لطفاً بگویید چطور می‌توانید امیدوار باشید که تنها با بررسی ذرات کوچک منفرد، توصیفی از طبیعت به دست بیاورید؟
واقعیت این است که در فیزیک ماکروسکوپیک با پدیده‌هایی سر و کار داریم که به نظر می‌رسد با آنچه، مثلاً، معادلات نیوتون در دینامیک کلاسیک و معادله‌ی شرودینگر در مکانیک کوانتومی توصیف می‌کنند، کاملاً فرق داشته باشد. همان طور که می‌دانید معادلات نیوتون نسبت به زمان بازگشت پذیرند؛ یعنی وقتی –t را به جای t در آن‌ها قرار بدهید هیچ اتفاقی نمی‌افتد. برعکس، فیزیک ماکروسکوپیک گرفتار بازگشت ناپذیری است؛ که این همان معنی قانون دوم ترمو دینامیک است. فکر می‌کنم در فهمیدن گذار میان این دو نوع توصیف، داریم پیشرفت‌های قابل توجهی می‌کنیم. بنیانگذاران مکانیک آماری – بولتزمن، ماکسول، گیبس – گویا به حد کافی به مفهوم بازگشت ناپذیری اطمینان نداشتند، چون در آن زمان خیلی طبیعی بود که این مفهوم را به عنوان یک خاصیت اساسی بعضی سیستم‌های دینامیکی بپذیرند. بنابراین سعی کردند، با اضافه کردن یک تقریب به مکانیک، بازگشت – ناپذیری را بیان کنند. به این ترتیب، عموماً این فکر پذیرفته شد که وصول به بازگشت ناپذیری تنها از راه نوعی تحریف دینامیک یا – همچنان که پاؤل اهرنفست در اوایل این قرن گفته است – از طریق " دانه بندی درشت" امکان‌پذیر می‌شود. ویژگی جدید این است که ناچاریم بازگشت ناپذیری را خیلی جدیتر بگیریم. ما در دنیایی زندگی می‌کنیم که در آن مدام شاهد تبدیل ذرات هستیم. دیگر نوعی زمینه‌ی آماری که درآن جوهرهایی ماندگار در هر سو شناور باشند نداریم. می‌بینیم که فرآیندهای بازگشت ناپذیر، حتی در بنیادیترین سطحی که در دسترس ماست، وجود دارند. پس مهم این است که با ایجاد و توسعه‌ی ابزارهای نوین ریاضی، ببینیم که برای گذار از مدل‌های ساده شده‌ی متناظر با معدودی درجه‌ی آزادی (که به روال متعارف در دینامیک کلاسیک یا دینامیک کوانتومی مطالعه کرده‌ایم ) به وضعیت‌های جدید، که تعداد زیادی درجه‌ی آزادی بر هم کنش کننده را شامل می‌شوند، چه باید کرد. و ویژگی جدید، که فکر می کنم بسیار جذاب باشد، این است که این گذار به طرزی بسیار دقیق از طریق شکست تقارن روی می‌دهد؛ شکست تقارن نسبت به پاریته‌ی عملگرهای دینامیکی، که وقوع آن تنها در حد سیستم‌های بزرگ امکان دارد.

پیت: ممکن است از شکست تقارن مثالی بیاورید؟

معادلات حرکت شامل یک عملگر دینامیکی‌اند.؛ در واقع، ما غالباً با عملگر«لیو ویل» کار می کنیم. وقتی به جای L (عملگر لیو ویل) L– و به جای t، -t را قرار می‌دهیم، این معادلات تغییر نمی کنند. می‌توانیم این را تقارن Lt بنامیم؛ که بیانگر این واقعیت است که معادلاتی که تحول به سوی آینده وگذشته را توصیف می‌کنند یکسان‌اند. اما، وقتی به معادلات رسانش گرما نگاه می‌کنید، دیگر از این نوع وضعیت خبری نیست. در این مورد یک معادله‌ی رسانش گرما دارید که برابر سازی دما را در آینده توصیف می‌کند؛ و به جای عملکرد لیو ویل (L) رسانندگی گرمایی را دارید که یک کمیت مثبت است. باز هم می‌توانید t را به –t تغییر بدهید، ولی معادله‌ی متفاوتی به دست می‌آورید (که می‌شود اسم آن را معادله‌ی «پادفوریه» گذاشت)، که می‌گوید توزیع دما در گذشته‌ی دور یکنواخت بوده است و در آینده نایکنواخت می‌شود. بنابراین، به جای یک تک معادله‌ی دینامیکی، یک مجموعه‌ی دو معادله‌ای دارید.
می‌خواهم بگویم که در حد سیستم‌های بزرگ، با در نظر گرفتن علیت، معادلات حرکت هم دو شکل حدی به خود می‌گیرند: یکی برای توصیف مسایل مقادیر اولیه و دیگری برای توصیف مسایل مقادیر نهایی. دیگر هیچ یک از این دو معادله نسبت به تبدیلاتL→-L و t→-t ناوردا نیستند.
پیت: از عبارت شکست تقارن، در مواردی مانند مغناطیس هم استفاده می‌شود، در آنجا تک تک ذرات کاملاً متقارن‌اند، اما خود آهنربا تنها در یک جهت مغناطیده است.
بله، اما فکر می‌کنم که این وضعیت از این هم که می‌گویید پیچیده‌تر باشد. برای به دست آوردن این نتیجه، قبل از هر چیز، باید بدانیم که تفاوت میان گذشته و حال چیست؛ لازم است درباره‌ی مسایل مقادیر اولیه صحبت کنیم. فرض می‌کنیم فیزیکدانی که دینامیک را فرمول‌بندی می‌کند – حالا مهم نیست که دینامیک را در مورد سیستم‌های ساده به کار می‌برد یا در مورد سیستم‌های بزرگ – می‌تواند در همان آغاز مسایل مقادیر اولیه و مسایل مقادیر نهایی را از یکدیگر تشخیص بدهد. بنابراین، به ناظران جهان – که خودمان باشیم – شعور درک جهت زمان را نسبت می‌دهیم. بعد نشان می‌دهیم که در این جهت است که انتروپی زیاد می‌شود. حالا چطور می‌توانیم فرضی را که در مورد خودمان کرده‌ایم توجیه کنیم؟ به عقیده‌ی من، برای پاسخ دادن به بسیاری از پرسش‌های خیلی جالب فیزیک نوین، ناچار به ارائه‌ی توضیحاتی هستیم که علاوه بر فیزیک، بعضی جنبه‌های زیست شناختی را هم در بر می‌گیرد. این یک پیشرفت جدید و جالب توجه است. می‌شود گفت که ایده‌ی واقعیت، همانی که اینشتین داشت و از آن دفاع می‌کرد، توصیفی از عالم است بدون وجود ناظران؛ یعنی واقعیتی است بر کنار از انسان. در بحثی که اینشتین با تاگور – شاعر هندی - داشت، تاگور به اینشتین خاطر نشان می‌کند که، حتیاگر چنین واقعیتی وجود داشته باشد احتمالاً برای ما دست نیافتنی است؛ و نخواهیم دانست که چگونه، با عباراتی با معنی، درباره‌ی این نوع واقعیت سخن بگوییم. حالا ملاحظه می‌کنید که هم در مکانیک کوانتومی و هم در مسئله بازگشت ناپذیری، ظاهراً به نوعی توضیح می‌رسیم که وضعیت خود ما را به عنوان موجودات ماکروسکوپیک ناظر بر جهان در بر می‌گیرد. و به این ترتیب به پایان سنت گالیله‌ای، که اینشتین هم مدافع آن بود، می‌رسیم. باید فکر امکان‌پذیر بودن یک توصیف مطلق را کنار بگذاریم. این درست همان نوع وضعیتی است که من الان برای معرفی بازگشت ناپذیری توصیف کردم، و همان وضعیتی است که در به اصطلاح پارادوکس بور هم وجود دارد. بور خاطر نشان کرده است که ما فرآیندهای میکروسکوپیک را توصیف می‌کنیم ولی در این توصیف، زبان فیزیک ماکروسکوپیک را به کار می‌گیریم؛ به عبارت دیگر، وقتی می‌خواهیم جهان میکروسکوپیک را توصیف کنیم، ناچاریم وضعیت خودمان را به عنوان ناظران ماکروسکوپیک به حساب بیاوریم. نوع نظریه‌ای که من و همکارم لئون روزنفلد – که زمانی طولانی همکار بور بود - در مسئله‌ی مکانیک کوانتومی به آن رسیدیم، خیلی شبیه به تبیینی از بازگشت ناپذیری است که کلیات آن را گفتم. در مسئله بازگشت ناپذیری، با جهتی که ناظر برای زمان قائل می‌شود شروع می‌کنیم و در پایان نشان می‌دهیم که، در حد سیستم‌های بزرگ، برای انتروپی یک تعریق سازگار وجود دارد. همین که انتروپی تعریف شد، می‌توانیم از نزدیک شدن به تعادل ترمودینامیکی سخن بگوییم؛ و بنابراین می‌توانیم درباره‌ی وضعیت‌های نزدیک به تعادل و دور از تعادل صحبت کنیم. می‌دانیم که وضعیت‌های دور از تعادل ممکن است منجر شوند به ایجاد ساختارها، تکامل ساختارها، و ناپایداری‌های متوالی، که به نظر می‌رسد اولین مرحله در پل زدن فاصله‌ی میان حیات و غیر حیات باشد. پس به این نتیجه می‌رسیم که در طبیعت چیزهایی هستند که در خودشان نوعی ناهمسانگردی زمانی دارند. با تشخیص این امر در دنیای خارج، می‌توانیم فرضی را که در آغاز درباره‌ی خودمان مطرح کردیم توجیه کنیم.
باکلی: آیا این مثل یک جور دور باطل به نظر نمی‌رسد؟
- خیر، فکر می‌کنم این دور باطل نیست، بلکه یک مدل خود – سازگار از معرفت است. به عقیده‌ی من، هم مسئله‌ی اندازه‌گیری و هم مسئله‌ی معرفت شناسی در مکانیک کوانتومی، هر دو به همین مقوله تعلق دارند.
در مکانیک کوانتومی از مشاهده شروع می‌کنیم، یعنی احتمالات را اندازه می‌گیریم و نه دامنه‌های احتمالات را. آن وقت، برای ایجاد ارتباط میان آنچه در زمان‌های مختلف اندازه می‌گیریم، معادله‌ی شرودینگر را مطرح می‌کنیم؛ معادله‌ای که با دامنه‌های احتمال سر و کار دارد. این مفهومی است که با احتمالات کاملاً فرق می‌کند. اما هیچ تضادی در میان نیست، زیرا می‌شود نشان داد که در حد سیستم‌های بزرگ، با وضعیت‌هایی سر و کار داریم که باز هم می‌توانیم آن‌ها را تماماً بر حسب احتمالا بیان کنیم؛ و به این طریق، موضع اولیه‌ی خودمان را توجیه می‌کنیم.
باکلی: اگر شما نظر اینشتین مبنی بر وجود یک ناظر کاملاً بر کنار را با این نظریه‌ی خود – سازگار مقابله کنید، به طور شهودی احساس می‌کنید، یا لااقل من این طور حس می‌کنم، که چیزی درباره‌ی سیستم وجود دارد که هرگز نمی‌توانیم از آن مطلع باشیم.
- نمی‌دانم، شاید این طور باشد. نکته‌ی اصلی این است که در این توصیف، دیگر یک سطح بنیادی واحد وجود ندارد. نمی‌شود گفت سطح ما، یعنی سطح موجودات ماکروسکوپیک، از سطح میکروسکوپیک بنیادیتراست یا بنیادیتر نیست. هدف فیزیک همواره جستجوی یک سطح بنیادی بوده است که بتواند به عنوان سطح مطلق در نظر گرفته شود. برای ممثال، توصیف نیوتن کامل بود، جا برای چیز دیگری وجود نداشت، نه چیزی بالاتر و نه چیزی پایین‌تر، چون طبیعت اساساً مجموعه‌ای از ذرات بود که بر طبق قوانین دینامیک حرکت می‌کردند. و این در آن‌وقت تمامی حقیقت بود؛ توصیف کاملی از طبیعت. نظریه‌ای که حالا به‌ آن می‌رسیم این است که، وصول به سطح میکروسکوپیک از سطح ماکروسکوپیک صورت می‌گیرد، اما سطح میکروسکوپیک هم به نوبه‌ی خود تعیین کننده‌ی شرایط سطح ماکروسکوپیک است. پس دیگر سطح توصیف مطلقی وجود ندارد. سطوح گوناگونی وجود دارند که همگی به طرز بسیار پیچیده‌ای به هم مرتبط‌اند، و البته این امر به تغییر بزرگی در معرفت شناسی منجر می‌شود چون قبلاً این فکر در میان بود که ماکروسکوپیک از طریق میکروسکوپیک توضیح داده شود. این فکر هنوز هم تا حدودی درست است، اما فکر توضیح سطح میکروسکوپیک از راه برونیایی مفهوم ماکروسکوپیک هم وجود دارد، و این باز هم مربوط می‌شود به پیوستگی درونی این سطوح.
نکته‌ی مهم در این‌باره این است که تحقیقات اخیر منجر به تشخیص چیزی می‌شود که می‌شود آن را حدود دینامیک (کلاسیک یا کوانتومی) نامید. غالباً گفته می‌شود که، دست کم در تقریب نا نسبیتی، می‌شود خواص مواد را از مکانیک کلاسیک یا کوانتومی (یعنی از معادله‌ی هامیلتون یا از معادله‌ی شرودینگر) استنتاج کرد. اگر این حرف درست بود می‌بایست یک سطح توصیف بنیادی و منحصر به فرد می‌داشتیم. اما این طور نیست، چون خواص ماده شامل بعضی خواص مجانبی هم هست که تنها در زمان‌های طولانی صادق‌اند و با زبان ترمو دینامیک و نظریه‌ی جنبشی توصیف می‌شوند. برای چنین وضعیت‌های مجانبی فراگیر، کافی نیست که فقط مسیرها (یا تابع موج‌ها) را در نظر بگیریم. این امر در دینامیک کلاسیک پیامد مفهومی است که موزر اسم آن را "پایداری ضعیف" گذاشته است. شروع ترمودینامیک و مکانیک آماری از جایی است که دینامیک تمام می‌شود. این در واقع اساس توصیف چند سطحی "دیالکتیکی" از طبیعت است.
پیت: پس فکر می‌کنید با نظرات پیاژه درباره‌ی ساختار موافق باشید؟
کاملاً درست می‌گویید. این یک تصادف بسیار قابل توجه است که اندیشه‌های پیاژه، بور، و کارهایی که اخیراً من و روزنفلد و دیگران انجام داده‌ایم، همه به یک جهت اشاره دارند: هیچ چیزی به عنوان یک "خارج" مطلق وجود ندارد، چون که دریافت این " خارج" تنها از راه حواس ما ممکن می‌شود. و همین طور، هیچ "درون" مطلقی هم وجود ندارد، زیرا اوضاع و احوال این "درون" از راه برهم کنش ما با دنیای خارج تعیین می‌شود. در جهت گیری بور و پیاژه چیز مشترکی هست؛ معرفت (واز جمله فیزیک نظری) چیز "داده شده" ای نیست، ما ناچاریم نحوه‌ی پیدایش آن را درک کنیم؛ پیاژه درباره‌ی تعادل ادراکی صحبت می‌کند، و بور درباره‌ی زبان ماکروسکوپیک (زبانی که زاییده‌ی وضعیت ما در دنیایی است که توصیفش می‌کنیم).
پیت: این هم هست که در تعبیر بور تکیه‌ی زیادی بر زبان یا تحلیل زبان وجود دارد. به گفته‌ی او زبان از مفاهیم کلاسیک است، و ما نمی‌توانیم به بررسی عمیق آن بپردازیم. حالا شما نظری اختیار کرده‌اید که یک کمی فرق می‌کند.
- بله، نظرات بور تا حد زیادی شهودی بود. بور چیزهای عمیقی گفته، اما طرز بیانش نسبتاً مبهم بوده است. دلیلش این است که رابطه‌ی میان دینامیک و مکانیک آماری، و همچنین تعریف سطح ماکروسکوپیک مکانیک کوانتومی، خیلی مبهم بود. بنابراین، بور مشکل می‌توانسته است دقیق باشد. اما من عقیده دارم که حالا از سطح ماکروسکوپیک تعریف دقیقی دارم که ناچاریم سطح میکروسکوپیک را به آن ارجاع بدهیم. ولی این سطح ماکروسکوپیک ضرورتاً یک سطح کلاسیک نیست، چون ممکن است هنوز شامل اثر مکانیک کوانتومی باشد. برای مثال، یک لیتر هلیوم مایع را در نظر بگیرید: این یک شیء ماکروسکوپیک است، اما یک شیء کلاسیک نیست.
پیت: آیا بور وقتی درباره‌ی ادراک صحبت می‌کرد، از کلامی غیر از آنچه شما به کار می‌برید استفاده نمی‌کرده است؟
- نه، فکر می‌کنم جهت فکری او تقریباً همین بود. چیزی که در این رهیافت وجود دارد به قدری نو است و به قدری با معرفت شناسی کلاسیک تفاوت دارد که انتظار می‌رود تا مدتی با مقاومت زیادی روبرو بشود. نظر کلاسیک دال بر این بود که مهم ذرات بنیادی است؛ آنها هستند که ساختار بنیادی طبیعت را آشکار می‌کنند، و باقی چیزها مفاهیم ثانوی‌اند.
امروزه به نظر می‌رسد که "یکپارچگی" فیزیک خیلی کمتر شده باشد، و بنابراین نسبت به مسائلی که از رشته‌های دیگر به میان می‌آیند خیلی بازتر است. و این وضع، اگر بخواهیم از زمینه‌هایی مثل زیست شناسی نظری درست حرف زده باشیم، ضرورت دارد زیرا واضح است که در این مورد باید میان مشاهدات زیست شناختی و مفاهیم فیزیک نظری ارتباط برقرار کرد، اما شاید لازم باشد که این فیزیک نظری تا اندازه‌ای جدید و بسط یافته باشد.
پیت: پس این واکنشی است در برابر کاری که تجربه گرایان انگلیسی، جان لاک و دیوید هیوم، آغاز کرده بودند؟
- فکر می‌کنم تلاش ما این است که از تمایز میان تجربه گرایی و ایده آلیسم فراتر برویم، درست همان طور که سعی داریم از تمایز میان تحویل گرایی و ضد تحویل گرایی فراتر برویم. اگر مسئله‌ی ظهور ساختار را در نظر بگیرید، می‌بینید که ناچارید برای رسیدن به ساختار و سازمان، از یک آستانه‌ی ترمو دینامیکی بگذرید. بنابراین می‌توانید سطوح را واقعاً از هم تشخیص بدهید. سطحی وجود دارد که رفتار آشوبناک مشخصه‌ی آن است، و سطحی دیگر که در آن سازمان مکانی و زمانی شروع می‌شود.احتمالش خیلی زیاد است که زیست شناسی متعلق به این سطح باشد. بنابراین می‌توانید بگویید که سطوح وجود دارند، و این به نوعی ضد تلقی تحویل گرایانه خواهد بود. اما این طور نیست، چون که در عین حال ثابت کردیم که هر دو سطح متعلق به توصیف ترمو دینامیکی‌اند.؛ آنها فقط اسکال متفاوتی هستند که جواب‌های ماکروسکوپیک – برحسب اینکه در حالت نزدیک به تعادل یا دور از آن باشند – می‌توانند اختیار کنند. بنابر این، فکر می‌کنم که تعارض میان تحویل‌گرایی و ضد تحویل‌گرایی تا اندزه‌ای بی معنی می‌شود.
پیت: اما مفاهیم علمی چطور، چون در علم فکر می‌کنم بعضی مفاهیم ساده‌اند و مفاهیم دیگر با روی هم گذاشتن این مفاهیم ساده، از آنها مشتق می‌شوند؟ آیا منظورتان این است که چیزهایی مثل ذرات ممکن است اساساً به اندازه‌ی مباحثی مانند توپولوژی ساده نباشند؟
بله، مثلاً پارادوکس معروف اینشتین – روزن – پودوسکی نشان می‌دهد که سیستم‌های منفرد کوانتومی از قبیل ذرات، مثل اشیاء ماکروسکوپیک رفتار نمی‌کنند، یعنی به صورت سیستم، به مفهوم ماکروسکوپیک آن، رفتار نمی‌کنند.دسپانیا، فیزیکدان فرانسوی در مقاله‌ی اخیر خود خیلی جالب گفته است که، شما هر تلقیی که داشته باشید، نمی‌توانید همان نوع واقعیت یا همان نوع خواصی را که معمولاً به اشیاء ماکروسکوپیک منسوب می‌کنید، به سیستم‌های میکروسکوپیک، احتمالاً فکر منسوخی است و دیگر هرگز مطرح نخواهد شد. و این چیز نسبتاً غریبی است که می‌بینیم در معدودی لحظات در تاریخ فیزیک، به تحقق فکر دستیابی به سطح بنیادی توصیف، بسیار نزدیک بوده‌ایم. دینامیک نیوتون دقیقاً چنین آرزوی بلند پروازانه‌ای داشته است. در دوران اخیر هم، وقتی اینشتین روی نظریه‌ی میدان واحد کار می‌کرد، اگر موفق شده بود نتیجه‌اش این می‌شد که به این توصیف بنیادی می‌رسیدیم. همچنین، اگر عالم تنها از الکترون‌ها و پروتون‌ها ساخته شده بود، این هم به یک توصیف اساسی منجر می‌شد. اما می‌بینیم که همه‌ی این تلاش‌ها در هر دوره به ناچار متوقف شده‌اند.
پیت: آیا می‌شود از راه مفاهیم و روابط به "سادگی" رسید؟
- این را در نظر داشته باشید که سادگی مفاهیم، سادگی در جهان ماکروسکوپیک است. مفاهیم ساده، مفاهیمی در مقیاس بشری هستند، و همه‌ی مفاهیم دیگر را ما از روی مقیاس خودمان می‌سازیم.
باکلی: در این مطلب چیز بسیار جذابی هست. وقتی تکامل، و عدم تقارنی را که ظاهراً در جهان وجود دارد، بررسی می‌کنیم، در واقع به یک معنا، دور می‌زنیم و فرآیند را مطالعه می‌کنیم، به عقب می‌رویم، یا آن را تعقیب می‌کنیم. آیا در اینجا نوعی عدم تقارن بنیادی وجود ندارد که از این خود – سازگاری فراتر می‌رود، چون که در واقع ما محصول این جریان زمان، یا این تمایل به سوی نظم یابی هستیم، و بنابراین هنوز ظاهراً در دام آن گرفتاریم؟
ما در آن شرکت داریم، و حالا داریم معنی این شرکت داشتن را هرچه بیشتر درک می کنیم. البته، گذار میان جماد و حیات، که آشکارا پدیده‌ی بسیار پیچیده‌ای است، اهمیت اساسی دارد. بسیاری از انواع ناپایداری وجود دارد که در این گذار باید از آنها عبور کرد. هر یک از این ناپایداری‌ها منجر به ظهور سازمان متفاوتی می‌شود. حالا شروع کرده‌ایم که از راه‌ مدل‌هایی از قبیل مدل مانفرد آیگن (برای نشان دادن رقابت میان مولکول‌های زیستی) ببینیم که این امر احتمالاً چطور اتفاق افتاده است. البته این تغییر بسیار عمده‌ای در طرز تلقی ماست. چون از آغاز فیزیک جدید، بر "دوام"، یعنی بر چیزهایی که بری از زمان هستند (مثلاً، قوانین بقا، ذرات بنیادی که واپاشیده نمی‌شوند، و ذرات نقطه‌ای نیوتونی) تأکید می‌شده است. هر چند ممکن است که این یک ساده سازی بیش از حد باشد، ولی می‌توانم بگویم که فیزیک نیوتونی، تحقق فلسفه‌ی افلاطونی است. از قرن نوزدهم تا امروز، هر چه بیشتر بر اهمیت زمان تأکید شده است. قبل از آن کانت هم این تأکید را داشت، و بعداً هگل، وایت هد، و برگسون تأکید بیشتری داشته‌اند. حالا هم می‌بینیم که در آثار هایدگر اهمیت خیلی زیادی به زمان داده می‌شود. بیش از پیش می‌بینیم که هستی یا وجود، با شدن و با زمان گره خورده است. فکر می‌کنم این یک تصادف یا همنوایی بسیار جالب باشد که ما هم داریم در راه ساختن نوعی فیزیک تلاش می‌کنیم که در آن عنصر زمانی اهمیت خیلی زیادی دارد. وضعیت‌های خود – سازمانده و غیر تعادلی، مفاهیمی کلیدی هستند که در همه جا به کار می‌آیند. البته این عوض شدن نکته‌ی مورد تأکید، مستلزم مطالعه‌ی ابزارهای جدیدی مثل نظریه‌ی دو شاخه شدن، افت و خیز در سیستم‌های نا متعادل، و غیره است. ناچاریم به جای ابزارهی کلاسیک مبتنی بر دینامیک (کلاسیک یا کوانتومی) ابزارهای جدیدی بنشانیم.
باکلی: مسلماً دلمان می‌خواهد که در این توصیف خود – سازگار، نظریه‌ یا تصوری داشته باشیم درباره‌ی اینکه چگونه سازمان ماده در سطوح بسیار بالایی از پیچیدگی منتهی به چیزی به نام ذهن می‌شود، که این ذهن هم به نوبه‌ی خود سیستمی را مطالعه می‌کند که از آن تکامل پیدا کرده است.
- این سؤال بسیار سختی است. بگذارید بعضی جنبه‌های ابتدایی‌تر را بررسی کنیم. مفاهیمی چون شانس (تصادف) و ضرورت، از آنچه، حتی تا همین چند سال قبل عموماً تصور می‌شد بسیار پیچیده‌تراند. مثلاً، در چارچوب فیزیک کلاسیک و ترمو دینامیک کلاسیک، جایی برای حیات نبود (تا چه برسد به ذهن!) مگر به عنوان نوعی محصول تصادف: در یک لحظه‌ای، مولکول‌هایی شروع می‌کنند به رفتارهای عجیب، وآن وقت این افت و خیزها منتشر می‌شود، و از این قبیل. و حتی در کتاب‌های معتبر به این فکر بر می‌خورید که حیات اصولاً مبارزه‌ای است علیه قوانین فیزیک. انگار سپاهی از شیطانک‌های ماکسول با قوانین فیزیک مبارزه می‌کنند تا حیات را به وجود بیاورند. اما یک تحول جدید و رضایت بخش حاکی از این است که شاید بتوانیم بر این دوگانگی غلبه کنیم. خود – سازماندهی وقتی نمودار می‌شود که سیستم آماده‌ی داشتن آن است.یعنی فاصله‌ از تعادل آنقدر زیاد است که توصیف، تلویحاً به غیر خطی بودن و دو شاخه سازی دلالت دارد. در آن صورت است که می‌توانیم خود – سازماندهی داشته باشیم؛ یعنی چیزی که در وضعیت تعادل مثل معجزه به نظر می‌آید.
یک مثال این مطلب ناپایداریی است که منجر به همرفت می‌شود. وقتی به مایعی از زیر گرما بدهیم، در نقطه‌ای شروع می‌کند به نشان دادن یک نقش همرفت. این، از دیدگاه مولکولی، رویداد فوق‌العاده پیچیده‌ای است، یعنی حدود 1023 مولکول با هم، در مدت‌های ماکروسکوپیک، حرکت می‌کنند. در نزدیکی تعادل، چنین پدیده‌ای ناممکن است. وقوع آن مثل یک معجزه است! اما، در واقع، اگر سیستم به حد کافی از تعادل دور باشد، چنین چیزی با احتمال صد در صد اتفاق می‌افتد. و این نشان می‌دهد که، مفاهیم پیچیدگی، احتمال، و غیره و غیره، اساساً بستگی به شرایط محیطی دارند که می‌توانند در آن تحقق پیدا کنند.
باکلی: ولی در هر صورت، چرا باید سیستم از تعادل دور شود، یا دور باشد؟
- خیلی جنبه‌ها هست که باید بررسی کرد. ما در دنیایی زندگی می‌کنیم که در آن امکان وضعیت‌های شدیداً نامتعادل وجود دارد. نمی‌توانیم تصور کنیم که دنیایی که در تعادل گرمایی باشد چگونه دنیایی خواهد بود.اما ما داریم توی این دنیا زندگی می‌کنیم و به همین علت است که این وضعیت‌های نامتعادل را داریم. در پیدایش پولیمرها و مولکول‌های زیستی می‌توانیم حتی گذارهایی را پیدا کنیم که فاصله از تعادل را افزایش می‌دهند.از آنجا که لازم است هر سازمانی یک فاصله‌ی آستانه از تعادل داشته باشد، به یک پس خوراند تکاملی می‌رسیم که در آن هرچه فاصله از تعادل زیادتر می‌شود به سطوح بالاتری از سازمان یافتگی دست پیدا می‌کنیم.
پیت: بگذارید مفهوم نظم را بیشتر بشکافیم. تلقی کلاسیک از انتروپی چه بوده است؟
- انتروپی یعنی تکامل. در آغاز قرن نوزدهم، فکر تکامل خیلی مهم و عمده بود، و در زیست شناسی، جامعه شناسی، و فلسفه از آن بحث می‌شد. در فیزیک این اندیشه از راه ترمو دینامیک، و مخصوصاً از طریق قانون دوم ترمودینامیک پدیدار شد. لابد فرمول‌بندی بسیار جالب کلاؤسیوس را به خاطر دارید: انرژی عالم ثابت است اما انتروپی آن به بیشینه میل می‌کند. معنی این تکامل را در فیزیک قبل از همه بولتزمن جستجو کرد. این یک مثال بسیار قابل توجه از تأثیر زیست شناسی بر فیزیک است. بولتزمن می‌خواست داروین فیزیک شود. او نشان داد که معنی تکامل در فیزیک با معنی آن در زیست شناسی کاملاً متفاوت است: در فیزیک تکامل به معنای فراموش کردن شرایط اولیه و رفتن به سوی بدیهی‌ترین وضعیت است. برای مثال، اگر بیست تا ذره در یک جعبه، و ده تا ذره در جعبه‌ی دیگری به همان ابعاد اولی بگذارید، و بین دو جعبه ارتباط برقرار کنید، آن‌وقت احتمالاً، بعد از مدت زمانی، در هر دو جعبه‌ی چپ و راست، به تعداد مساوی ذره خواهید داشت. این مثالی از افزایش انتروپی است. بنابراین، انتروپی یک روند تکاملی است، اما می‌شود گفت که به جنبه‌ی نسبتاً پیش پا افتاده‌ای از تکامل مربوط می‌شود.
پیت: تا چه اندازه‌ مفهوم افزایش انتروپی یک مفهوم ذهنی است؟
- به عقیده‌ی من این مفهوم ابداً ذهنی نیست، یا دقیقتر بگویم، ذهنیتر از ایده‌ی گذار فاز نیست. این برمی‌گردد به آنچه در شروع صحبت گفتم: به عقیده‌ی من تکنیک‌های جدید امکان می‌دهد کمیتی را تعریف کنیم که بر حسب توابع توزیع بیان می‌شود و به طور یکنواخت رو به مقدار بیشینه‌ی خود می‌رود. ولی واضح است که باید شرایط معینی برقرار باشند تا بشود از نزدیک شدن به تعادل و تابع انتروپی صحبت کرد. سیستم باید از پیچیدگی دینامیکی حداقلی برخوردار باشد (و قابل توجه است که بر طبق نتیجه‌ای که اخیراً به دست آمده این حداقل از مسئله‌ی سه جسم آغاز می‌شود!).این هم آشکار است که افزایش انتروپی شامل مسیرهای منفرد (یا تابع موج‌های منفرد) نمی‌شود. همان طور که در شروع صحبت گفتم، مکانیک آماری و ترمودینامیک از جایی آغاز می‌شوند که دینامیک سنتی (کلاسیک یا کوانتومی) از کار می‌افتد.
پیت: سؤال من در مورد نظریه‌های متعارف انتروپی بود.
- در واقع چنین "نظریه‌ای"، جز در مواردی خاص (مثلاً گاز رقیق)، وجود نداشت و در نتیجه انتروپی به انواع مختلف تعبیر می‌شد. مثلاً بعضیها می‌گفتند که انتروپی با دانش ارتباط دارد، و افزایش انتروپی را افزایش جهل می‌دانستند. اما چنین چیزی اگر هم درست باشد، بیش از یک حکم بدیهی نیست و احتمالاً می‌تواند در هر نوع وضعیتی معتبر باشد. این بسیار نامحتمل است. مثلاً، همان طور که گفتم، اگر ذراتی را با هم داشته باشیم، نهایتاً به صورتی یکنواخت توزیع خواهند شد. خوب، این حرف همیشه هم درست نیست. به آسمان نگاه کنید! بلافاصله می‌بینید که در اثر نیروهای گرانشی، خوشه‌ها و منظومه‌های سیاره‌ایی ایجاد شده‌اند که توزیع آنها هیچ شباهتی به توزیع یکنواخت ندارد. بدیهی است که این موضوع به بعضی خصوصیات نیروهای دور برد مربوط می‌شود. عده‌ای دیگر مدعی بودند که انتروپی را تنها می‌شود در ارتباط با کیهان شناسی درک کرد. مع ذالک، اگر یک مسئله‌ی چند جسم را با کامپیوتر و بر اساس یک برنامه‌ی نیوتونی حل کنید، باز هم نزدیک شدن به تعادل را خواهید دید. بنابراین، هر تعبیر کیهان شناختی از بازگشت ناپذیری در این معنی هم به ناچار مردود است.
پیت: اخیراً در جایی خوانده‌ام که حتی مسئله‌ی انداختن بار انتروپی به گردن سیاهچاله‌ها هم مطرح است.
- این یکی از جذابترین مسائل است. مطمئناً بازگشت ناپذیری و نسبیت ناچارند خیلی محکم به هم گره بخورند. احتمالاً، هم به یک نظریه‌ی دو شاخه شدن نسبیتی و هم به ابزار دیگری احتیاج داریم. فعلاً برای بحث بیشتر در این موضوع خودم را ذیصلاح نمی‌بینم.
پیت: از لحاظ کلاسیک، انتروپی با لفظ نظم برابر یا مرتبط گرفته می‌شد. حالا شما تعریف دقیقتری از انتروپی ارائه می‌کنید. آیا این یعنی که شما از معنای نظم مفهوم دقیقتری در ذهن دارید؟
- در واقع میان انتروپی و نظم (یا بی‌نظمی!) رابطه‌ی نزدیکی وجود دارد. برای یک سیستم منزوی که در تعادل ترمو دینامیکی باشد، انتروپی بیشینه است. این متناظر است با یک بی‌نظمی بیشینه (بیشترین تعداد "چهره‌ها"). این حکم را می‌شود به وضعیت‌های دیگری، مثل سیستم‌های در حال تعادل با یک ترموستات، بسط داد. در آن صورت انرژی آزاد (F=E-TS) کمینه می‌شود. چنین احکامی بیانگر چیزی است که می‌توان آن را اصل نظم بولتزمن نامید و در وضعیت‌های تعادل معتبر است. اینکه وضعیت‌های متعددی را می‌شود به این طریق بحث و بررسی کرد شایان توجه است، اما هنوز برای به دست آوردن تعبیری از "نظم" موجود در اطراف خودمان، لازم است از چنین مفاهیمی فراتر برویم.
پیت: ولی آیا ممکن است بگویید که واقعاً منظورتان از نظم چیست، و حتی این را که نظم در زندگی روزمره چه معنایی می‌دهد؟
- یک شهر کوچک را در نظر بگیرید، آن وقت مثال ساده‌ای از "نظم" دارید که بر حسب اصل نظم بولتزمن قابل درک نیست. در اینجا بر هم کنش با حومه‌ی شهر نقش اساسی دارد. اگر قرار باشد شهر را منزوی کنید، شهر فرو می‌پاشد. برخلاف بلوری که می‌شود آن را درون یخچالی قرار داد تا بدون هیچ نوع تبادل انرژی با دنیای خارج، به بقای خود ادامه بدهد. این نوع ساختارهای نامتعادل در بسیاری از وضعیت‌ها در فیزیک، زیست شناختی و جامعه شناسی، نقش اساسی دارند. من اسم آنها را، در مقابل ساختارهای متعادل، "ساختارهای اتلافی" گذاشته‌ام. شکل‌گیری این ساختارها همواره شامل افت و خیزها و رقابت میان افت و خیزهاست. بنابراین می‌شود در مقابل اصل نظم بولتزمن، از "نظم از طریق افت و خیزها" صحبت کرد.
باکلی: شما مثالی می‌آورید از همرفت که در آن پای تعداد ممعتنابهی "موجودات" میکروسکوپیک منفرد در میان است و آنها در مدت زمان‌های ماکروسکوپیک با هم‌اند و در فضاهای ماکروسکوپیک جاری‌اند.
- بله، در نزدیکی تعادل چنین جریانی ناممکن است؛ زیرا این وضعیت حاوی "چهره‌های" بسیار محدودی است و ظاهراً اصل نظم بولتزمن را نقض می‌کند. اما، دور از حالت تعادل این وضعیت ممکن می‌شود؛ انحراف از تعادل (شارش انرژی به داخل سیستم) به نظم تبدیل می‌شود و یک ساختار اتلافی پدیدار می‌شود.
باکلی: می‌شود گفت که در این‌باره یک توضیح علیتی وجود دارد که ممکن است نظم‌یابی خود به خود را از میان ببرد- و آن این است که شما انرژی وارد سیستم می‌کنید. اگر تمامی سیستم را به حساب بیاورید، ممکن است به نظم نرسیده باشد.
- گرچه به نظر می‌رسد که شارش انرژی "علت" ساختار اتلافی باشد، اما این به معنی آن نیست که ما یک نظریه‌ی جبری (دترمینیستی) داریم. عموماً یک نقط‌ه‌ی دو شاخه شدن وجود دارد و برای "انتخاب" یکی از جواب‌های ممکن، به نظریه‌ی افت و خیز احتیاج داریم. این دقیقاً یک ویژگی بسیار فریبنده است که امروز مدل‌هایی داریم که از مشکل قدیمی "تصادف و ضرورت" فراتر می‌روند؛ این مدل‌ها، هم عنصر توصیف جبری را (مخصوصاً در فاصله‌ی میان ناپایداری‌ها) و هم توصیف استو کاستیک را (در نزدیک ناپایداری‌ها) در خود دارند.
باکلی: درباره‌ی آستانه‌های دور از تعادل صحبت می‌کنید. ممکن است توضیح بدهید که منظورتان از آستانه چیست؟
- آن مقدار بحرانی که با آستانه بیان می‌شود همواره به ساز و کار بستگی دارد. آنچه معمول است، این است که برای تولید ناپایداریی که منجر به ساختار اتلافی بشود، باید فاصله‌ی معینی از تعادل وجود داشته باشد. بار دیگر تأکید می‌کنم که رفتار دور از تعادل وابسته به ساز و کار است. برای القای ناپایداری شاخه‌ی ترمو دینامیک نیاز به ساز و کارهای خود کاتالیزوری و چند کاتالیزوری داریم. این امر با عامیت رفتار نزدیک به تعادل در تباین است. این ویژگی رفتار دور از تعادل، برای درک ساختارهای متنوعی که ما را احاطه کرده‌اند، و همچنین برای درک رابطه‌ی میان عملکرد و ساختار ضروری است.
پیت: دوباره صحبت از نظم به میان آمد. من داشتم به نظم پنهان فکر می‌کردم. احتمالاً سیستم‌هایی وجود دارند که در نظر ما به صورت نظم یافته ظاهر نمی‌شوند، ولی ممکن است نظم آنها درونی و پوشیده باشد؛ مثلاً هولوگرام، که مانسته‌ی ریاضی آن یک تبدیل کانونیک است. شاید تنها به گام‌های معدودی نیاز باشد تا نظم آن آشکار شود، اگر چه به طور ذهنی کاملاً بی نظم به نظر برسد.ْ
- بله، کاملاً درست می‌گویید. این به خصوص در مورد ساختارهای اتلافی – که در آنها نظم با عملکرد ارتباط دارد – درست است. آن وقت ممکن است دیدن عملکرد آسانتر باشد تا نظم. از زیست – شیمی به آسانی می‌شود مثال‌هایی آورد. ساختار فضایی سلول‌ها و توزیع آنزیم‌ها ممکن است، تا زمانی که مسیرهای شیمیایی دخیل در چرخه‌های زیست – شیمیایی شناخته نشده‌اند، بی نظم به نظر برسند. آشکار شدن ساختارهای اتلافی و نظم از طریق افت و خیزها، از طریق رفتار همدوس در زمان (یعنی چرخه‌های حدی) یا در فضا صورت می‌گیرد. این نوع رفتار می‌تواند در یک فاصله‌ی بحرانی از تعادل پدیدار بشود.
باکلی: ولی می‌توانیم تعاریف فیزیکی دقیقی داشته باشیم از اینکه منظورمان از همدوسی چیست.
- بله، این شکلی از تعاون است. البته، تعاون را از فیزیک تعادل می‌شناسیم. مثال‌های مشهور آن عبارتند از فرو مغناطیس، یا نظم دور برد در بلورها. اما در ساختارهای اتلافی، با شکل ابر مولکولی جدیدی از تعاون یا همدوسی سر و کار داریم. می‌شود گفت که ناپایداری تعیین کننده‌ی ساختار فضا – زمانی است که فرآیندهای شیمیایی عامل ناپایداری، در آن جریان دارند. برعکس، بعداً این فرآیندها هستند که به رفتار کل سیستم بستگی پیدا می‌کنند. و به این ترتیب به مفاهیمی مثل "تمامیت" سیستم و تکامل آن از طریق ناپایداری‌های متوالی می‌رسیم.
پیت: آیا می‌شود نظم را با سادگی و زیبا شناسی مرتبط کرد، یا فکر می‌:نید این کار گام بیش از حد بزرگی باشد؟
در ارتباط با موضوع هنر و زیبا شناسی به مسائل بسیار پیچیده‌ای می‌رسیم. در موضوع هنر و انتروپی، کتابی توسط آرن‌هیم تألیف شده که اخیراًدانشگاه کالیفرنیا آن را چاپ کرده است. در این کتاب، که بحث‌های زیادی را دامن‌زده، چنین استدلال شده است: افزایش انتروپی قانون اساسی طبیعت است؛ حیات در مقابل طبیعت قرار می‌گیرد؛ بنابراین میان فعالیت هنری و طبیعت یک تقابل اساسی وجود دارد. امروز معلوم شده است که چنین استدلال‌هایی مغلطه‌اند. تنها در نزدیکی تعادل است که سیستم به حالت انتروپی بیشینه و بی سامانی گرایش پیدا می‌کند. دور از تعادل، می‌توانیم فرآیندهای خود – سازماندهی داشته باشیم، از همان نوعی که در ساختارهای اتلافی متجلی می‌شوند. مفهومی که در اینجا سعی کردم کلیات آن را بگویم، بیشتر شبیه مفهومی است که یونانی‌ها ساخته بودند و مطابق با آن، مقابل هم قرار دادن هنر و طبیعت را روا نمی‌دانستند. از این دیدگاه، فعالیت هنری راهنمایی برای درک طرز کار طبیعت است. بگذارید این بحث را با مطلبی تمام کنم که همیشه از دیدگاه تاریخ عقاید برایم جالب بوده است. عقاید اتم‌گرایی و بعضی دیگر از نظرات اساسی فیزیک توسط اتم‌گرایان یونانی مثل دموکریت، و غالباً به دلایل غیر علمی، مطرح شده‌اند. بدیهی است که این افراد هیچ گونه اثبات تجربی برای وجود اتم‌ها نداشتند. دلیل دموکریت که به وضوح آن را بیان کرده است، رهانیدن انسان از ترس بود، و واداشتن او به این احساس که نباید از نیروهای مرموز و از دیگر چیزهای ناشناخته‌ای که انسان را احاطه کرده‌اند واهمه داشت. این یک گام بسیار اساسی و با اهمیت بود، اما به نوع دیگری از اضطراب منجر شد و آن اینکه چنین مدلی از جهان که این اتم‌های سرگردان واقعیت اساسی آن هستند بیش از آن ساده است که بشود جای انسان را در آن مشخص کرد. این شاید دلیل اساسی دو شاخه شدن فلسفه و علم باشد که در قرن نوزدهم آغاز شد و هنوز هم ادامه دارد. و شاید هم همین موضوع برای بسیاری دلیل بی علاقگی به علم باشد؛ به این عنوان که هیچ ربطی به انسان ندارد. پاسکال این مضمون را به نحو زیبایی بیان کرده است: "در دنیای مملو از بی سامانی، در دنیای اتم‌های "بی شعور" ی که به هر سو سر گردان‌اند، می‌ترسیم از اینکه ببینیم تنها موجودات اندیشمند و سازمان نیافته خود ما هستیم. فکر می‌کنم که تحولات اخیر به ما دید متوازن‌تری از چیزها می‌دهد، که در آن جایگاه خودمان را در دنیایی که چندان هم کتره‌ای نیست می‌یابیم، جهانی که در آن ساختار وجود دارد، و درآن نه تنها دنیای خارج را می‌توانیم درک کنیم، بلکه این را هم می‌توانیم احساس کنیم که چگونه ما از این دنیای خارج نشأت گرفته‌ایم. به این ترتیب باز به همان ساختار چرخه‌ای می‌رسیم که در شروع این گفتگو از آن صحبت کردیم.