قوانین بنیادی ریاضی، برای حل بخش عظیمی از مباحث فیزیک و شیمی الزامی‌اند

چکیده
بی‌شک توسعه و رشد یک علم مرهون دانشمندان خود است. نیوتن نیز به عنوان یکی از دانشمندان عرصه‌ی فیزیک، دستاورهای بسیاری برای دنیای علم و دانش بوجود آورده است که در این مقاله به اختصار توضیح داده شده است.

تعداد کلمات 4245/ تخمین زمان مطالعه 21 دقیقه

پیشرفت‌های علمی پس از نیوتون نمای جدیدی به خود گرفتند. معلوم شد که جهان تحت تأثیر نیروهای طبیعی اداره می‌شود که خیلی ساده‌تر و یکپارچه‌تر از آن چیزی هستند که در زمان نیوتون تصور می‌شد. خود نیوتون در جلد سوم کتاب اپتیک، نظریه‌ای درباره مواد ارائه می‌کند که شامل نورشناسی و شیمی می‌شود: کوچک‌ترین ذرات ماده دارای قوی‌ترین بر هم‌کنش‌ها هستند، آن‌ها ذرات بزرگ‌تر با بر هم‌کنش‌های ضعیف‌تر را تشکیل می‌دهند. خود این ذرات نیز ذرات بزرگ‌تر با بر هم‌کنش‌های ضعیف‌تر را شکل می‌دهند و الی آخر؛ تا این‌که این روند به بزرگ‌ترین ذرات ماده که ترکیبات شیمیایی و ماهیت آن‌ها به ماقبل بستگی دارد ختم می‌شود و این ذرات هستند که جسمی با ابعاد قابل لمس را پدید می‌آورند. او همچنین به نیروهایی که به این ذرات وارد می‌شوند اشاره می‌کند: قبل از این‌که دلیل به وجود آمدن این کنش‌ها را بفهمیم، باید با مشاهده پدیده‌های طبیعی دریابیم که چه چیزهایی یکدیگر را جذب می‌کنند و این جاذبه، تحت چه قوانین یا ویژگی‌هایی رخ می‌دهد. نیروی گرانشی، مغناطیسی و الکتریکی همواره در فواصل محسوس و قابل لمس رخ می‌دهند و بسیاری از این نیرو‌ها نیز در فواصل بسیار کوچک رخ می‌دهند که امکان مشاهده آن‌ها وجود ندارد.
کاملاً مشخص است که نیوتون می‌دانسته به غیر از گرانش، نیروهای دیگری نیز در طبیعت وجود دارند. الکتریسیته ساکن یک موضوع قدیمی بود. افلاطون اشاره کرده بود که وقتی دست خود را به یک پارچه کهربایی می‌کشیم جرقه‌هایی در اثر این سایش در پارچه پدیدار می‌شوند. چینی‌ها به طور طبیعی مغناطیس را در سنگ‌های آهن‌ربا که در رمل و اسطرلاب از آن‌ها استفاده می‌کردند می‌شناختند. ویژگی‌های مغناطیس توسط پزشک دربار ملکه الیزابت، یعنی ویلیام گیلبرت، به تفصیل مورد مطالعه قرار گرفت. نیوتون قبلاً به وجود نیروهایی که به خاطر دامنه اثرگذاری کوتاهشان ناشناخته هستند اشاراتی کرده است. نیروهایی که در قرن بیستم تحت عنوان نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف شناخته شدند. با اختراع باتری الکتریکی توسط الساندرو ولتا[1] در اوایل قرن نوزدهم، امکان آنجام آزمایش‌های دقیق کمیتی روی الکتریسیته و مغناطیس فراهم شد و خیلی زود معلوم شد که این دو پدیده کاملاً از هم جدا نیستند.پیشرفت‌های علمی پس از نیوتون نمای جدیدی به خود گرفتند. معلوم شد که جهان تحت تأثیر نیروهای طبیعی اداره می‌شود که خیلی ساده‌تر و یکپارچه‌تر از آن چیزی هستند که در زمان نیوتون تصور می‌شد. کاملاً مشخص است که نیوتون می‌دانسته به غیر از گرانش، نیروهای دیگری نیز در طبیعت وجود دارند. نیوتون قبلاً به وجود نیروهایی که به خاطر دامنه اثرگذاری کوتاهشان ناشناخته هستند اشاراتی کرده است. نیروهایی که در قرن بیستم تحت عنوان نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف شناخته شدند.
در ابتدا هانس کریستیان اورستد[2] در کپنهاگ متوجه شد که یک آهن‌ربا و یک سیم که جریان الکتریکی را منتقل می‌کند، نیروهایی را بر یکدیگر اعمال می‌کنند. آندره ماری آمپر[3] در پاریس با دانستن این مطلب متوجه شد که سیم‌هایی که جریان الکتریکی را حمل می‌کنند نیز نیرویی بر یکدیگر وارد می‌کنند. آمپر نتیجه گرفت که این پدیده‌های مختلف در اصل یکی هستند. نیرویی که بر یک تکه آهن مغناطیده وارد می‌گردد حاصل جریان الکتریکی است که درون آهن وجود دارد. همانند موضوع گرانش، جریان‌های الکتریکی و مغناطیسی که نیروهایی را به یکدیگر وارد می‌کنند، با مفهوم «میدان» جایگزین شدند که در این مورد میدان مغناطیسی است. آهن‌ربا و سیم حامل جریان الکتریکی با میدان مغناطیسی به وجود آمده در هر نقطه مرتبط‌اند و این میدان مغناطیسی نیرویی را به هر آهن‌ربا یا سیم حامل جریان الکتریکی در مجاورت مجاورت خود اعمال می‌کند.
مایکل فارادی[4] نیروی مغناطیسی تولید شده توسط یک جریان الکتریکی را به خطوط میدان مغناطیسی در اطراف سیم نسبت می‌دهد. او همچنین جرقه‌های ناشی از مالش پارچه کهربایی را به میدان الکتریکی مربوط دانست و آن را به شکل خطوط تابشی ناشی از بار الکتریکی موجود در کهربا توضیح داد. از همه مهم‌تر، فارادی در دهه 1830 نشان داد که رابطه‌ای میان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد، یک میدان مغناطیسی که در اثر جریان الکتریکی در یک سیم‌پیچ به وجود می‌آید، میدان الکتریکی را به وجود می‌آورد که می‌تواند جریان الکتریکی را به یک سیم دیگر منتقل کند. امروزه از این پدیده برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود.
یکپارچگی نهایی میان الکتریسیته و مغناطیس، چند دهه بعد، توسط جیمز کلارک ماکسول[5] صورت گرفت. ماکسول به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به عنوان نیروهای تنشی در محیط نگاه کرد و مفاهیم مربوط به مغناطیس و الکتریسیته را در قالب معادلات مربوط به میدان و نرخ تبدیل شدن آن‌ها به یکدیگر ارائه کرد. آن‌چه که ماکسول به این بحث اضافه کرد این بود که همان‌طور که تغییر در میدان مغناطیسی باعث به وجود آمدن یک میدان الکتریکی می‌شود، تغییر در میدان الکتریکی نیز یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. مفاهیم بنیادی نظریه ماکسول نیز به رسم آن‌چه در فیزیک رخ می‌دهد، مورد قبول واقع نشد ولی معادلات او همچنان باقی ماند و حتی روی تیشرت دانشجویان فیزیک نقش بست. ولی نظریه ماکسول یک نتیجه مطلوب به همراه داشت. از آن‌جا که ارتعاش‌های مغناطیسی، ارتعاش‌های الکتریکی را به وجود می‌آورد و برعکس، می‌توان تصور کرد که یک ارتعاش خودکار متشکل از میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی در اتر وجود داشته باشد. ماکسول در سال 1862 متوجه شد که این ارتعاش الکترومغناطیسی با سرعتی که طبق محاسبات او با سرعت نور برابر است منتشر می‌شود. طبیعی بود که ماکسول به این نتیجه برسد که نور چیزی جز نوسانات خودبه‌خودی میدان‌های الکترومغناطیسی نیست. فرکانس نور مرئی به قدری زیاد است که نمی‌توان آن را توسط مدارهای الکتریکی معمولی به وجود آورد. ولی هاینریش هرتز[6] در دهه 1880 توانست با کمک معادلات ماکسول، امواجی را تولید کند: این امواج، امواج رادیویی بودند که تنها اختلافشان با نور مرئی، فرکانس پایین‌ترشان بود؛ بنابراین الکتریسیته و مغناطیس نه تنها با یکدیگر بلکه با فیزیک نور، نیز یکپارچه بودند. با کمک الکتریسیته و مغناطیس، درک و فهم ماهیت ماده از طریق انجام محاسبات کمیتی آغاز شد.

بیشتر بخوانید: فلسفه‌ی فیزیک نیوتن

یکی از این محاسبات، اندازه‌گیری وزن موادی بود که در واکنش‌های شیمیایی شرکت داشتند. چهره اصلی در این انقلاب شیمی دانشمندی فرانسوی به نام آنتونی لاوازیه[7] بود. لاوازیه در اواخر قرن هجدهم عناصر اکسیژن و هیدروژن را کشف کرد و نشان داد که آب ترکیبی است از این دو عنصر، همچنین هوا نیز ترکیبی از عناصر است و آتش به خاطر ترکیب عناصر دیگر با اکسیژن پدید می‌آید. کمی بعدتر جان دالتون[8] بر پایه این اطلاعات متوجه شد که وزن عناصر ترکیب شده در واکنش‌های شیمیایی را می‌توان از این فرضیه به دست آورد که ترکیبات شیمیایی مثل آب و نمک از مقدار بی‌شماری ذره (که بعداً مولکول نام گرفتند) تشکیل شده که خود این ذرات نیز از تعداد مشخصی اتم تشکیل شده‌اند. برای مثال، مولکول آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. شیمی‌دانان در دهه‌های بعدی موفق به کشف عناصر بیشتری شدند، برخی از آن‌ها مثل کربن، سولفور و فلزات معمولی شناخته شده بودند و برخی دیگر نیز کاملاً عناصر جدید مثل کلرین، کلسیم و سدیم بودند. آب، خاک، باد و آتش در این دسته‌بندی جایی نداشتند. در نیمه اول قرن نوزدهم، شیمی‌دانان به دنبال پیدا کردن فرمول شیمیایی صحیح برای مولکول‌های آب و نمک بودند که امکان محاسبه نسبت‌های جرمی اتم‌های عناصر مختلف را از روی محاسبه جرم موادی که در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند فراهم می‌کرد. نظریه اتمی مواد زمانی به موفقیت چشم‌گیر دست پیدا کرد که ماکسول و بولتزمن نشان دادند که گرما در واقع توزیع انرژی در میان تعداد بی‌شماری اتم و مولکول است.
این موضوع با مخالفت فیزیک‌دانانی از جمله پیردوهم روبه‌رو شد که به وجود اتم‌ها شک داشت و به نظریه ترمودینامیک به مثابه قوانین بنیادی مکانیک نیوتون و الکترودینامیک ماکسول نگاه می‌کرد. ولی در ابتدای قرن بیستم چندین آزمایش انجام شد و تقریباً همه متقاعد شدند که اتم‌ها وجود دارند. یک‌سری از آزمایش‌های انجام شده توسط جی.جی.تامسون[9]، رابرت میلیکان[10] و سایرین نشان دادند که بارهای الکتریکی در واقع ضریبی از بار الکتریکی بنیادی هستند که همان بار الکتریکی الکترون است؛ ذره‌ای که توسط تامسون در سال 1897 کشف شد. حرکت «براونی» ذرات کوچک در سطح سیالات توسط آلبرت اینشتین در سال 1905 در قالب برخورد این ذرات با مولکول‌های مایع تفسیر شد. تفسیری که بعدها توسط آزمایش‌های جان پرین[11] تأیید شد. ویلهلم اوستوالد[12] که در ابتدا وجود اتم‌ها را قبول نداشت در واکنش به آزمایش‌های تامسون و پرین در بیانیه‌ای به سال 1908 تغییر عقیده خود را در این‌باره اعلام کرد، این بیانیه خیلی شبیه بیانیه دموکریتوس و لوسیپوس است: «اکنون متقاعد شده‌ام که به شواهد تجربی کافی مبنی بر ماهیت ماده دست پیدا کردیم و آن هم نظریه اتمی مواد است که برای مدت‌های طولانی ناشناخته باقی مانده بود.»
اتم‌ها واقعاً چه هستند؟ یک قدم بزرگ در پاسخ به این سؤال را در سال 1911، ارنست رادرفورد[13] برداشت. او در آزمایشگاهی در منچستر متوجه شد که جرم اتم طلا در مرکز هسته متمرکز شده و الکترون‌های با بار منفی به دور آن هسته می‌چرخند. الکترون‌ها مسئول خاصیت شیمیایی ماده هستند، در‌حالی‌که تغییرات هسته‌ای منجر به آزاد شدن انرژی رادیواکتیو زیادی می‌شود. این موضوع سؤال جدیدی را پیش می‌کشد، چه چیزی مانع از دست دادن انرژی الکترون‌ها در گسیل تابشی و فرو افتادن آن‌ها به درون هسته می‌شود؟ این موضوع وجود اتم‌های پایدار را نقض می‌کند. فرکانس‌های تابشی در این آشفتگی‌های اتمی، زنجیره‌ای را به وجود می‌آورد که در تضاد آشکار با مشاهدات انجام شده مبنی بر این است که اتم‌ها تنها در فرکانس‌های مشخصی می‌توانند تابش‌ها را گسیل یا جذب کنند که این روند به شکل خطوط سیاه و سفید در طیف گازها دیده می‌شود. چه چیزی این فرکانس‌های ویژه را مشخص می‌کند؟ یکی از این محاسبات، اندازه‌گیری وزن موادی بود که در واکنش‌های شیمیایی شرکت داشتند. چهره اصلی در این انقلاب شیمی دانشمندی فرانسوی به نام آنتونی لاوازیه بود. لاوازیه در اواخر قرن هجدهم عناصر اکسیژن و هیدروژن را کشف کرد و نشان داد که آب ترکیبی است از این دو عنصر، همچنین هوا نیز ترکیبی از عناصر است و آتش به خاطر ترکیب عناصر دیگر با اکسیژن پدید می‌آید. با پیشرفت و توسعه مکانیک کوانتومی که مهم‌ترین دستاورد در نظریات فیزیک از زمان نیوتون به شمار می‌رود، تلاش برای پاسخ به این سؤالات آغاز شد. همان‌طور که از اسمش پیداست، مکانیک کوانتومی مستلزم گسستگی (مجزا کردن) انرژی‌ها در سامانه‌های مختلف فیزیکی است. در سال 1913، نیلز بور[14] پیشنهاد کرد که اتم‌ها تنها در محدوده‌های انرژی مشخصی وجود دارند و قوانینی برای محاسبه این انرژی‌ها در ساده‌ترین اتم‌ها ارائه کرد. به دنبال کارهای ماکس پلانک، اینشتین در سال 1905 اظهار داشت که انرژی نور در ذراتی که بعدها به فوتون شهرت پیدا کردند، وجود دارد. هر فوتون انرژی متناسب با فرکانس نور دارد. طبق اظهارات بور، زمانی که یک اتم در اثر گسیل یک فوتون، انرژی از دست می‌دهد، انرژی آن فوتون باید با اختلاف انرژی اولیه و نهایی اتم، برابر باشد. به این ترتیب، فرکانس اتم را می‌توان محاسبه کرد. همیشه حالتی از اتم در پایین‌ترین سطح انرژی وجود دارد که قادر به گسیل تابش از خود نبوده و در این حالت اتم در حالت پایه قرار دارد. به دنبال این مقدمات، مکانیک کوانتوم در دهه 1920 پیشرفت‌های بیشتری پیدا کرد و قوانین پایه و اصلی آن نیز ارائه شدند، قوانینی که در مورد تمام سامانه‌های فیزیکی کاربرد دارند. این پیشرفت‌ها مدیون تلاش‌های لوئیس دوبروی[15]، ورنر هایزنبرگ[16]، ولفگانگ پاولی[17]، پاسکال جوردن[18]، اروین شرودینگر، پائول دیراک و ماکس بورن[19] بوده است. انرژی اتم‌ها با حل معادله‌ای به نام معادله شرودینگر، محاسبه می‌‌شود. این معادله کاملاً ریاضی است که از مطالعه امواج صوتی و نور، به دست آمده است. شرودینگر متوجه شد که تمام سطوح و انرژی یک اتم، آن‌هایی هستند که با تابع موج شرودینگر توصیف شوند. ولی بور متوجه شد که این امواج، مکانیکی یا الکترومغناطیسی نیستند بلکه امواج احتمالاتی هستند؛ یعنی جایی که تابع موج بزرگ‌تر است احتمال حضور یک ذره در آن‌جا بیشتر است. مکانیک کوانتومی نه تنها مسائل مربوط به پایداری اتم‌ها و ماهیت خطوط طیفی آن‌ها را حل کرد، بلکه مباحث شیمی را نیز وارد چارچوب فیزیک کرد. با شناخت نیروهای الکتریکی میان الکترون‌ها و هسته اتم، معادله شرودینگر برای محاسبه انرژی مولکول‌ها، مثل اتم‌ها به کار گرفته شد. به این ترتیب شناسایی مولکول‌های پایدار و این‌که کدام واکنش‌های شیمیایی از نظر سطح انرژی امکان‌پذیرند، عملاً ممکن شد. سرانجام در سال 1929 دیراک با افتخار اعلام کرد که: «قوانین بنیادی ریاضی، برای حل بخش عظیمی از مباحث فیزیک و شیمی الزامی‌اند.»
البته این بدان معنی نیست که حل مسائل و مشکلات شیمیدانان و فیزیکدانان به ریاضیدانان سپرده شده یا برعکس. دیراک به درستی متوجه شد که معادله شرودینگر تنها برای مولکول‌های کوچک به خوبی عمل می‌کند و برای بقیه مولکول‌‌ها بسیار پیچیده است؛ بنابراین بسیاری از مسائل شیمی، همچنان حل نشده باقی ماندند؛ اما از دهه 1920 به بعد دانشمندان متوجه شدند که تمام اصول شیمی، مثل قانونی که می‌گوید فلزات، ترکیبات پایداری با عناصر هالوژن مانند کلورین، تشکیل می‌دهند، به خاطر مکانیک کوانتومی است که الکترون‌ها و هسته اتم توسط نیروهای الکترومغناطیسی روی یکدیگر اعمال می‌کنند.
ولی برخلاف توضیحات فراوان، این اصل بنیادی تا ارائه پاسخ‌های قطعی و قانع‌کننده خیلی فاصله داشت. الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها ذراتی هستند که هسته اتم را تشکیل می‌دهند. همچنین میدان‌های الکترومغناطیسی و یا هر میدان ناشناخته دیگری با دامنه کوتاه، ظاهراً مسئول به وجود آمدن نیروهای قوی هستند که هسته اتم را پایدار نگه داشته و همچنین نیروهای ضعیفی که در تابش‌های رادیواکتیو، نوترون‌ها را به پروتون‌ها و یا پروتون‌ها را به نوترون‌ها تبدیل می‌کنند.
در دهه 1930 تمایز میان ذرات و میدان‌ها با پیشرفت نظریه میدان کوانتوم از بین رفت. همان‌‌طور که در یک میدان الکترومغناطیسی، انرژی و تکانه در ذراتی به نام فوتون جمع شده‌اند، در یک میدان الکترونی، انرژی و تکانه در الکترون‌ها ذخیره شده‌اند. در مورد انواع دیگر ذرات بنیادی اوضاع به همین صورت است. ولی این موضوع اصلاً واضح نبود. ما می‌توانیم اثرات میدان مغناطیسی و گرانشی را به‌طور مستقیم حس کنیم چرا که ذرات این میدان‌ها هیچ جرمی ندارند و همچنین این ذرات از نوعی هستند (که به بوزون معروف می‌باشند) که در تعداد بالا، حالت‌هایی شبیه به هم دارند. این خصوصیات به فوتون‌های زیادی امکان به وجود آوردن حالت‌هایی را می‌دهد که ما آن‌ها را در قالب میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی مشاهده می‌کنیم که ظاهراً از قوانین کلاسیک فیزیک (قوانین غیر کوانتومی) پیروی می‌کنند. در مقابل، الکترون‌ها، ذراتی دارای جرم بوده و از نوعی هستند (که به فرمیون معروف می‌باشند) که هیچ‌کدام از آن‌ها یک حالت مشابه ندارند، بنابراین میدان‌های الکترونی هیچ‌گاه در مشاهدات ماکروسکوپی ظاهر نمی‌شوند.
در اواخر دهه 1940، نظریه میدانی کوانتومی درباره فوتون‌ها، الکترون‌ها و پادالکترون‌ها به نام نظریه الکترودینامیک کوانتومی (QED)، پیشرفت‌های چشمگیری پیدا کرد. این پیشرفت‌ها حاصل محاسبه کمیت‌هایی از جمله شدت میدان مغناطیسی الکترون‌ها بود که به درستی تا چند رقم اعشاری محاسبه شد.[20] به دنبال این دستاوردها، دانشمندان به جستجوی نظریات میدان‌های کوانتومی دیگری بودند که نه تنها فوتون‌ها، الکترون‌ها و پادالکترون‌ها، بلکه سایر ذرات کشف شده در پرتوهای کیهانی، شتاب‌دهندگان و همچنین بر هم‌کنش‌های ضعیف و قوی که روی آن‌ها تأثیر می‌گذارند را شامل شوند.
امروزه یک چنین نظریه میدان کوانتومی به نام مدل استاندارد، در اختیار داریم. مدل استاندارد در واقع نسخه پیشرفته از نظریه الکترودینامیک کوانتومی است. علاوه بر میدان الکترونی، یک میدان نوترینویی هم وجود دارد که ذرات تشکیل‌دهنده آن، فرمیون‌هایی شبیه به الکترون‌ها هستند با این تفاوت که آن‌ها هیچ بار الکتریکی نداشته و جرم آن‌ها نیز تقریباً صفر است. همچنین یک نوع از میدان‌های کوارکی وجود دارند که ذرات آن‌ها اجزای تشکیل‌دهنده پروتون‌ها و نوترون‌هایی هستند که هسته اتم را تشکیل می‌دهند. به دلایلی که هنوز روشن نیست این فهرست یک بار دیگر نیز تکرار شده است: این بار با کوارک‌ها و ذرات شبه الکترونی به مراتب سنگین‌تر، به همراه همتایان نوترینویی آن‌ها. میدان الکترومغناطیسی در ظهور میدان‌های بنیادی چون الکتروضعیف و سایر میدان‌ها، مسئول بر هم‌کنش‌های هسته‌ای ضعیف هستند که امکان تبدیل شدن پرتون‌ها و نوترون‌ها را در واپاشی‌های رادیواکتیو فراهم می‌کنند. ذرات تشکیل‌دهنده این میدان‌ها، بوزون‌های سنگین هستند. بوزون‌هایی با بار الکتریکی مثبت و منفی و بوزون‌های خنثی . همچنین هشت میدان مشابه «گلئونی» وجود دارند که مسئول بر هم‌کنش‌های قوی هسته‌ای هستند و کوارک‌ها را درون پروتون‌ها و نوترون‌ها نگه می‌دارند. در سال 2012 آخرین قطعه گمشده از مدل استاندارد نیز کشف شد. این یک بوزون سنگین با بار الکتریکی خنثی بود که توسط بخش الکترو ضعیف در مدل استاندارد پیش‌بینی شده است. ولی مدل استاندارد پایان کار نبود. در این مدل گرانش نادیده گرفته شده است، همچنین خبری از محاسبات مربوط به ماده تاریک که به گفته اخترشناسان پنج ششم جرم گیتی را تشکیل می‌دهد، نیست. همچنین کمیت‌های عددی زیادی در این مدل توضیح داده نشده است، مثل نسبت جرم کوار‌ک‌های مختلف و ذرات شبه‌الکترونی. با این حال، مدل استاندارد یک نظریه یک‌پارچه از تمامی ساختارهای اتمی و نیروهایی (به غیر از گرانش) که در آزمایشگاه‌ها با آن‌ها سروکار داریم، در قالب معادلاتی ارائه می‌کند که همگی آن‌ها در یک ورق کاغذ جای می‌گیرند. می‌توان با اطمینان گفت که مدل استاندارد، زمینه‌ساز یک نظریه بهتر و کامل‌تر در آینده خواهد بود. مدل استاندارد در نظر خیلی از فیلسوفان طبیعی از تالس گرفته تا نیوتون، مدل رضایت‌بخشی نبود.
این یک مدل به دلخواه نیست و اثری از مفهوم‌های انسانی مثل عشق و عدالت در آن به چشم نمی‌خورد. هیچ‌کس با مطالعه مدل استاندارد به انسان بهتری تبدیل نمی‌شود، آن‌گونه که افلاطون انتظار داشت با مطالعه اخترشناسی، این اتفاق رخ دهد. همچنین برخلاف انتظارات ارسطو از نظریات فیزیک، اثری در غایت‌شناسی در این مدل وجود ندارد. البته ما در جهانی زندگی می‌کنیم که تحت قوانین مدل استاندارد، اداره می‌شوند و می‌توان تصور کرد که الکترون‌ها و کوارک‌های سبک، وجود ما را رقم زده‌اند، ولی تکلیف ما در ارتباط با همتایان سنگین‌تر این ذرات که هیچ ارتباطی هم با زندگی ما ندارند، چیست؟ مدل استاندارد شامل معادلاتی است که میادین مختلفی را اداره می‌کنند، ولی این مدل را نمی‌توان به تنهایی از ریاضیات به دست آورد. همچنین با مشاهدات مستقیم پدیده‌های طبیعی نمی‌توان این مدل را ارائه کرد. بدون شک کوارک‌ها و گلئون‌ها تحت نیروهایی که با افزایش فاصله زیاد می‌شوند، یکدیگر را جذب می‌کنند، بنابراین این ذرات را نمی‌توان به صورت منفرد مشاهده کرد. مدل استاندارد همچنین از مفاهیم فلسفی نیز حاصل نمی‌گردد. در واقع مدل استاندارد حاصل فرضیاتی است که با معیارهای زیباشناسی پیشرفت کرده و به میزان موفقیت و صحت در پیش‌بینی پدیده‌ها، ارزش‌گذاری می‌شود. هر چند مدل استاندارد جنبه‌های ناشناخته زیادی دارد، ولی امیدواریم که نظریات عمیق‌تر و موفق‌تر بتوانند باعث پیشبرد و تکمیل آن شوند. رابطه نزدیک میان فیزیک و اخترشناسی همچنان ادامه دارد. امروزه به قدری از واکنش‌های هسته‌ای شناخت داریم که می‌توانیم از آن‌ها نه تنها در محاسبه درخشندگی و تکامل خورشید و ستارگان بلکه در درک و فهم چگونگی تولید سبک‌ترین عناصر در اولین لحظات شکل‌گیری گیتی استفاده کنیم. باز هم مثل گذشته اخترشناسی این چالش را پیش روی فیزیکدانان می‌گذارد که انبساط گیتی رو به افزایش است و دلیل آن نیز احتمالاً انرژی تاریک است که نه در ذرات بلکه در بافت فضا وجود دارد. این یکی از جنبه‌های تجربی است که در نگاه اول ما را تحریک به درک و فهم مبانی هر نظریه غیر‌هدفمندی مثل مدل استاندارد می‌کند. نمی‌توان بدون در نظر گرفتن غایت‌شناسی درباره موجودات زنده صحبت کرد. ما موضوعاتی مثل قلب، ریه، ریشه و گل‌ها را در قالب هدف از خلقت آن‌ها توصیف می‌کنیم. نمی‌دانیم که علم تا چه زمانی به مسیر تقلیلی خود ادامه می‌دهد. شاید به نقطه‌ای برسیم که دیگر هیچ پیشرفتی برای بشر امکان‌پذیر نباشد. همین حالا، جرمی در حدود یک میلیون تریلیون برابر جرم اتم هیدروژن وجود دارد که در آن گرانش و سایر نیروهای ناشناخته با نیروهای مدل استاندارد یک‌پارچه می‌شوند؛ حتی اگر تمام منابع مالی و انسانی در اختیار فیزیک‌دانان قرار بگیرد، باز هم آن‌ها قادر به تولید چنین ذراتی در آزمایشگاه‌های خود نمی‌باشند. شاید این بزرگ‌تر از توان ذهنی و فکر ما باشد، شاید انسان به قدر کافی باهوش نیست تا بتواند قوانین بنیادی و حقیقی فیزیک را به درستی درک کند، یا شاید با پدیده‌ای روبه‌رو هستیم که نمی‌توان آن را در عمل، وارد یک چارچوب مهم‌تر از تمام علوم کرد. تمایلی که تنها با گسترش مباحث علمی و اطلاعات درباره گیاهان و حیوانات توسط طبیعت‌گرایان پس از نیوتون از جمله کارل لیناس[21] و جورج کویر[22] افزایش پیدا کرد. نه تنها استادان الاهیات بلکه دانشمندانی از جمله رابرت بویل و آیزاک نیوتون نیز قدرت‌های شگفت‌انگیز گیاهان و حیوانات را شاهدی بر وجود یک خالق کریم و نیک‌اندیش می‌دانستند. حتی اگر از منظر ماوراءطبیعی به توانایی‌های حیوانات و گیاهان نگاه نکنیم، باز هم درک و فهم جهان بر پایه الاهیات بسیار متفاوت از شناخت آن توسط نظریات فیزیک مثل نظریات نیوتن خواهد بود. پیوند زیست‌شناسی با سایر علوم اولین بار در اواسط قرن نوزدهم با ارائه مبحث تکامل از طریق انتخاب طبیعی امکان‌پذیر شد. این بحث به طور جداگانه توسط دو دانشمند به نام‌های چارلز داروین[23] و آلفرد راسل والاس[24] مطرح شد. بحث تکامل، ایده آشنایی بود که دانشمندان از روی شواهد فسیلی با آن سروکار داشتند. افرادی که به تکامل اعتقاد دارند، آن را حاصل یک اصل زیست‌شناسی می‌دانند، اصلی که تمایل ذاتی موجودات زنده را به بهتر شدن نشان می‌دهد، این اصل امکان یک‌پارچگی زیست‌شناسی را با علوم طبیعی به کلی از بین می‌برد. داروین و والاس پیشنهاد کردند که تکامل از طریق تغییرات موروثی خود را نشان می‌دهند. احتمال تغییرات مطلوب و نامطلوب یکی است. ولی این تغییرات مطلوب هستند که شانس بقای موجود زنده را افزایش داده و باعث بقای نسل آن موجود زنده می‌شوند.[25] زمان زیادی طول کشید تا انتخاب طبیعی به عنوان ساز و کار تکامل پذیرفته شود. هیچ‌کس در زمان داروین، ساز و کار وراثت یا ظهور تغییرات موروثی را درک نمی‌کرد، بنابراین زیست‌شناسان به دنبال نظریه‌ای هدفمند بودند. تصور این‌که انسان حاصل میلیون‌ها سال انتخاب طبیعی بر اساس تغییرات تصادفی ارثی بوده است، برای بسیاری ناخوشایند بود. سرانجام با کشف قوانین ژنتیک و آشنایی با مفهوم جهش در قرن بیستم، یک نظریه «نوداروینی» ارائه شد که نظریه اساسی‌تر و محکم‌تری درباره تکامل از طریق انتخاب طبیعی بود. در نهایت پس از این‌که دانشمندان متوجه شدند که اطلاعات ژنتیکی از طریق مولکول‌های مارپیچ دوتایی به نام DNA منتقل می‌شوند، این نظریه در شیمی و در نتیجه در فیزیک مورد استفاده قرار گرفت؛ بنابراین زیست‌شناسی در نگاهی یک‌پارچه به طبیعت بر پایه قوانین فیزیک با شیمی نیز پیوند خورد. ولی باید محدودیت‌های موجود در این یکپارچگی را نیز مدنظر داشت. هیچ‌کس زبان روش‌های زیست‌شناسی را با توصیف موجودات زنده در قالب مولکول‌های منفرد، عوض نمی‌کند، چه رسد به کوارک‌ها و الکترون‌ها. یک دلیل این است که توصیف موجودات زنده به این طریق خیلی پیچیده می‌شود. مهم‌تر این‌که حتی اگر می‌توانستیم حرکت هر اتم را در یک گیاه یا یک حیوان دنبال کنیم، در میان حجم عظیمی از این اطلاعات، احتمالاً از موارد جالب‌تر و مهم‌تر غافل می‌شدیم. مثل روش شکار بز کوهی توسط یک شیر یا این‌که یک گل چگونه زنبورعسل را به طرف خود جلب می‌کند. یک مسئله دیگر در زیست‌شناسی مثل زمین‌شناسی و برخلاف شیمی وجود دارد. موجودات زنده تنها حاصل قوانین فیزیک نیستند، بلکه طی حوادث بی‌شمار طبیعی در طول تاریخ پدید آمده‌اند؛ مثل برخورد یک شهاب‌سنگ یا یک ستاره دنباله‌دار با زمین در 65 میلیون سال پیش که منجر به نابودی دایناسورها شد و یا به وجود آمدن زمین در فاصله مشخصی از خورشید همراه با ترکیبات شیمیایی خاص اولیه. می‌توانیم نه به صورت منفرد بلکه به شکل آماری برخی از این حوادث را درک کنیم. برخلاف تصور کپلر، هیچ‌کس نمی‌تواند فاصله زمین تا خورشید را تنها بر اساس قوانین فیزیک، محاسبه کند. منظور از پیوستن زیست‌شناسی به باقی علوم این است که قوانین زیست‌شناسی، دیگر مستقل از قوانین زمین‌شناسی نیستند. قوانین بنیادی زیست‌شناسی حاصل همراهی قوانین بنیادی فیزیک با رخدادهای تاریخی هستند که هیچ‌گاه از لحاظ معنایی قابل توصیف نمی‌باشند. ایده‌ای که در این‌جا توصیف شده را «تقلیل»[26] می‌نامیم. این مفهوم حتی در میان فیزیک‌دانان نیز مخالفانی دارد. فیزیک‌دانانی که به مطالعه سیالات و فیزیک حالت جامد می‌پردازند گاهی مثال‌هایی از «ظهور» پدیده‌های ماکروسکوپی از مفاهیمی چون گرما یا تغییر فاز می‌آورند که هیچ همتایی در فیزیک ذرات بنیادی نداشته‌اند و به جزئیات ذرات بنیادی نیز وابسته نیستند.
برای مثال علم گرما، یعنی ترمودینامیک که در مورد سامانه‌های متنوعی کاربرد دارد، نه تنها در مورد سامانه‌هایی که به نظر ماکسول و بولتزمن شامل تعداد زیادی مولکول هستند، بلکه در سطوح سیاه‌چاله‌های بزرگ نیز کارایی دارد. ولی این علم در مورد همه چیز کار نمی‌کند و باید بپرسیم که این علم در کجا کارایی دارد و اگر دارد، چرا؟ باید به دنبال قوانین بنیادی‌تر و عمیق‌تر فیزیک باشیم. به علاوه، «تقلیل» یک برنامه اصلاحاتی برای آزمایش‌های علمی محسوب نمی‌شود. این یک نظریه درباره چگونگی کار قوانین طبیعی در گیتی است. نمی‌دانیم که علم تا چه زمانی به مسیر تقلیلی خود ادامه می‌دهد. شاید به نقطه‌ای برسیم که دیگر هیچ پیشرفتی برای بشر امکان‌پذیر نباشد. همین حالا، جرمی در حدود یک میلیون تریلیون برابر جرم اتم هیدروژن وجود دارد که در آن گرانش و سایر نیروهای ناشناخته با نیروهای مدل استاندارد یک‌پارچه می‌شوند (به این جرم، جرم پلانک می‌گویند؛ این جرمی است که ذرات برای این‌که نیروی گرانشی آن‌ها با شدت دامنه الکتریکی بین دو الکترون برابر باشد، باید به دست بیاورند) حتی اگر تمام منابع مالی و انسانی در اختیار فیزیک‌دانان قرار بگیرد، باز هم آن‌ها قادر به تولید چنین ذراتی در آزمایشگاه‌های خود نمی‌باشند. شاید این بزرگ‌تر از توان ذهنی و فکر ما باشد، شاید انسان به قدر کافی باهوش نیست تا بتواند قوانین بنیادی و حقیقی فیزیک را به درستی درک کند، یا شاید با پدیده‌ای روبه‌رو هستیم که نمی‌توان آن را در عمل، وارد یک چارچوب مهم‌تر از تمام علوم کرد. برای مثال هر چند فرایندهای مغزی مرتبط با آگاهی را به خوبی درک کردیم، ولی همچنان از توضیح احساسات خود آگاهی در قالب عبارات فیزیکی عاجز هستیم. باید بدانیم با این‌که راه طولانی در این باره پیموده‌ایم، هنوز به انتهای آن نرسیده‌ایم.
این یک داستان طولانی است، این‌که چگونه فیزیک سماوی و زمینی توسط نیوتون با یکدیگر ادغام شدند، یا چگونه یک نظریه یک‌پارچه از الکتریسیته و مغناطیس توانست ماهیت نور را توضیح دهد، چگونه نظریه کوانتومی توانست توصیفی از الکترومغناطیس، نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف به دست دهد و چگونه شیمی و حتی زیست‌شناسی با کمک قوانین فیزیک به یک نظریه یک‌پارچه ولی ناکامل درباره طبیعت رسیدند. با کمک قوانین بنیادی فیزیک بوده است که بسیاری از قوانین علمی کشف و تقلیل پیدا کرده‌اند.

نمایش پی نوشت ها:

[1] - Alessandre Volta
[2] - Hans Christian Orsted
[3] - Andre – Marie Ampere
[4] - Michael Faraday
[5] - James Clark Maxwell
[6] - Heinrich Hertz
[7] - Antonie Lavoisier
[8] - John Dalton
[9] - J.J.Thomson
[10] - Robert Milikan
[11] - John Perrin
[12] - Wilhelm Ostowald
[13] - Ernest Rutherford
[14] - Niels Bohr
[15] - Louis de Broglie
[16] - Werner Heisenberg
[17] - Wolfgang Pauli
[18] - Pascal Jordan
[19] - Max Born
[20] ـ چه در اینجا و چه در ادامه به نام تک‌تک فیزیکدانان نمی‌پردازم، چرا که دانشمندان زیادی با این موضوع مرتبط‌اند و ذکر اسامی همه آنها در این کتاب نمی‌گنجد. مایل نیستم با جا انداختن نام برخی از این فیزیکدانان به آنها بی‌احترامی کرده باشم.
[21] - Carl Linnaeus
[22] - George Cuvier
[23] - Churls Darwin
[24] - Alfred Russel Wallace
[25] ـ در اینجا من انتخاب جنسیتی و انتخاب طبیعی را با یکدیگر ادغام کرده و تعادل را در قالب تکامل یکنواخت توضیح داده‌ام، همچنین تمایزی میان جهش و تقلیل ژنتیکی به عنوان منبع تغییرات موروثی قائل نشده‌ام. این تمایزات برای زیست‌شناسان بسیار مهم هستند ولی تأثیری روی مباحث مورد نظر من ندارند. هیچ قانون مستقل زیست‌شناسی وجود ندارد تا احتمال بهبود تغییرات موروثی را افزایش دهد.
[26] - Reduction