کيهان، تعميم قوانين، و نظريه

نرود ميخ آهنين بر سنگ! چرا اين جمله راحت پذيرفته و درک مي شود؟ چون ميخ را برمي داريم با چکش؛ امتحان مي کنيم؛ نمي رود! اما به راحتي مي گويند نظريه ي نسبيت غلط است! مي گويند اشتباه آن را پيدا کرده اند؛ و اين حرف ها را هم باور دارند. خيال مي کنند ميخ و چکش آن را هم دارند. اين گزاره ها را نمي توان با برداشتن ميخ و چکش آزمود البته مي توان! اما ابزار آن بسيار پيچيده است؛ ميخ و چکش آن را نمي توان به راحتي شناخت. آنها که تصور درستي از اين پيچيدگي ندارند، آموزش هاي لازم را نديده اند. نمي دانند واژه هايي مانند نسبيت عام، عالم تورمي، نظريه ريسمان، يا حتي سياست را نمي توان مانند چکش به دست گرفت؛ اولين تصوري که از اين واژه ها دارند و به ذهن آنها مي رسد مي گيرند و حتماً اشتباه مي کنند پس اين نظريه چيست؟ آزمايش و تجربه و رصد چه نقشي دارند؟
از برهم کنش نظر و عمل، نظريه و رصد، صحبت کردم. مردم ما کمابيش تصور درستي از رصد وتجربه و آزمايش دارند، اما هنگامي که مفهوم نظر و نظريه مطرح مي شود. ابهام و نادرستي در برداشت آزاردهنده است. کم نيستند کساني که به دانشگاه مراجعه مي کننده با ادعاي داشتن يک نظريه جديد يا رد يک نظريه موجود، اما تاکنون نديده ام کسي مراجعه کند و رصد يا تجربه نوع جديدي انجام داده باشد. اين نظريه چيست که اين همه مدعي دارد؟ آيا اشکال در لفظ فارسي «نظريه» است؟ نه به گمانم! زيرا همين افراد «تئوري» جديد هم مي آورند! جالب است که کسي قانون جديد علمي کشف نمي کند!
چه ارتباطي هست ميان قانون هاي علمي و نظريه؟ چگونه قانون هاي علمي، مدل هاي علمي و نظريه هاي علمي ساخته مي شوند؟ تا چه اندازه مي توان به مدل استاندارد کيهان شناسي اعتماد کرد؟ آيا نظريه نسبيت خاص و عام اينيشتن درست است؟ آيا اينشتين حق داشت؟ اين گونه سؤال ها معمولاً در مبحث فلسفه علم يا جامعه شناسي علم مطرح مي شود؛ گرچه هر کسي که با علم سرو کار دارد، حتي به صورت تفنني، لازم است تصور درستي از پاسخ به اين سؤال ها داشته باشد، دست کم تصور اشتباه نداشته باشد.
تفاوت ميان زندگي انسان ها، ميان اقوام گوناگون، ميان عشاير و ايلات مختلف، حتي ميان مردم محله هاي يک شهر به قدري واضح است که گاهي غيرممکن به نظر مي رسد بتوان براي اين انسان هاي متفاوت و رفتار آنها قانونمندي عام پيدا کرد. اما جامعه شناسان، روان شناسان، اقتصاددانان، و حقوق دانان چنين مي کنند. امروزه حتي سياستمداران با استفاده از شبيه سازي سيستم هاي ديناميکي سعي مي کنند رفتار آينده ي جامعه هاي مورد نظرشان را کشف يا پيشگويي کنند. اين همه از برکت موفقيت قانون هاي فيزيک است.
فيزيک دانان قوانين فيزيک را بر روي زمين کشف مي کنند نيوتن نيروي جاذبه گرانشي خود را از روي پديده هايي زميني کشف کرد، گرچه حرکت ماه و سيارات هم به او کمک کردند؛ اما اين قانون، قانون جهاني گرانش نام گرفت و فيزيک دانان و منجمان آن را براي حرکت هر جرم در هر نقطه عالم به کار مي برند. هنگامي که يک ستاره دوتايي را مثلاً تپ اختري که به گرد سياهچاله اي مي گردد، کشف مي کنيم اصلاً در به کار بردن قانون گرانش نيوتون، يا دقيق تر گرانش انيشتين تأخير نمي کنيم. همين طوراست در مورد قوانين ديگر فيزيک:فيزيک اتمي و هسته اي را براي سازو کار توليد انرژي ستاره ها هم به کار مي گيريم، قوانين الکترومغناطيس ماکسول را هم همين طور به هنگام بررسي مسائل طيفي ستاره ها ويا ميدان مغناطيسي آنها.
علوم بنيادي که فيزيک جزو آنهاست، اين گونه از کار عالم صحبت مي کند، در حالي که قوانين خود را بر روي زمين و عمدتاً از روي پديده هاي زميني انتزاع کرده اند. ممکن است بپرسيد تا چه حد مجاز به اين تعميم هستيم؟ سئوالي که هر فيزيک دان بايد حداقل يک بار به خود پاسخ داده باشد. توجه کنيد که اين تعميم قانون ها تنها در جهت گسترش فضايي نيست، بلکه ما گستره اعتبار قوانينمان را از هر جهت گسترش مي دهيم. نمي گوييم قانون هايمان تنها در زمان حال معتبرند، بلکه در تمام زمان هاي گذشته معتبر بوده اند و در آينده نيز معتبر خواهند بود؛ همچنين است براي هر شرايط ديگري اعم از سرعت، انرژي، فاصله هاي خرد و کلان. درست همين سادگي جسورانه فيزيک دانان باعث موفقيت علم فيزيک شده است. هنگامي که حدي براي گستره ي اعتبار گرانش نيوتوني قائل نشديم توانستيم به اشتباه بودن آن، مثلاً در فاصله هاي زياد يا براي جرم هاي زياد پي ببريم. باري اين از ويژگي هاي علم نوين است در مقابل علم سنتي، که براي قانون هاي جديد به عمد کمترين محدوديت را مي پذيرد تا امکان تعميم و گسترش آن را به خودي خود گستره ي اعتبارش را تعيين کند؛ يعين اين آزادي عمل عمدي است که باعث رشد مي شود!
در تاريخ علم اين شناخت بشر، که زمين مرکز عالم نيست، نقش بسيار اساسي داشته است. اين انديشه را معدودي از منجمان يونان باستان مطرح کردند و حتي در دوره ي اسلامي هم بودند منجماني که احتمال گردش زمين را غير منطقي نمي دانستند، اما نهايتا نيز خلاص اين بينش را کپرنيک، منجم لهستاني، زد. به همين سبب اين را انقلاب کپرنيکي مي نامند. انقلاب کپرنيکي ذهن بشر را از زمين مرکزي بودن دور کرد. همين امر در طول تاريخ علم باعث شده است که ما قوانيني روي زمين کشف بکنيم و آن را به همه جاي عالم تعميم دهيم؛ زيرا اين انقلاب نشان داد که زمين مرکز نيست و به دور خورشيد مي گردد. بعدها نيز شناختيم که خورشيد ستاره اي متوسط در کهکشان ما است و کهکشان ما کهکشان متوسطي است در عالم. اين شناخت کمک کرد تا زمين و قوانيني را، که روي آن کشف مي کنيم، ممتاز ندانيم؛ و دليل نداشته باشيم فرض نکنيم که اين قوانين در همه جاي عالم نيز صادق است.
تاريخ بشر به چند هزار سال نمي رسد، اما قوانيني که ما کشف مي کنيم، مي گوييم همواره، از بدو آفرينش، معتبر بوده اند و به همين روال هم معتبر خواهند ماند. چرا چنين است؟ هنگامي که به نقاط دوردست عالم، به کهکشان ها واختروش هاي دور دست نگاه مي کنيم، در واقع به زمان هاي گذشته مي رويم. اختروشي که ده ميليارد سال پيش خود را به ما نشان مي دهد؛ و ظاهرا در اين موارد هيچ نمونه اي از معتبر نبودن قوانين فيزيک کنوني خودمان نيافته ايم.
اين تعميم ها تا چه حد مجاز است؟ تعميم يک روش بسيار مهم در علم است. چيزي را که ما در يک محدوده خاص و باريک مي بينيم، از هر حيث سعي مي کنيم تعميمش بدهيم. هنر فيزيک دان گاهي در همين نوع تعميم است. اين طبيعت است که بايد موافقت يا مخالفت خود را با تعميم نشان دهد. در کيهان شناسي نيز ما با تعميمي به گستره ي عالم و به گستره سن عالم سروکار داريم: کار کيهان شناس نظري استفاده از اين تعميم براي بررسي و درک پديده هاي کيهان شناسي يا پيشگويي پديده هاي ممکن است.کيهان شناس رصدي به دنبال تحقيق رصدي اين پيشگويي هاست يا داده هاي رصدي جمع مي کند تا کيهان شناس نظري آن را تحقيق کند؛ و اين گونه است که علم به پيش مي رود.
در تعميم قوانين دقت نقش اساسي دارد. در اوخر قرن نوزدهم و اوايل قرن بيستم دقت اندازه گيري هاي فيزيک به حدي بالا گرفت که مکانيک نيوتوني ديگر با بعضي پديده ها سازگاري نداشت. از يک طرف دقت زياد اندازه گيري هاي اپتيکي نشان دادکه تلفيق مکانيک نيوتوني و الکترومغناطيس امکان پذير نيست. اين ناسازگاري منجر به ابداع نظريه نسبيت خاص توسط اينشتين شد. اين ناسازگاري در اثر تعميم غير مجاز مکانيک نيوتوني به سرعت هاي زياد پيش آمده بود. به همين سبب لازم بود نسبيت خاص در سرعت هاي کم به مکانيک نيوتوني تبديل بشود، که همين طور هم هست. از طرف ديگر تلفيق همين دو نظريه مکانيک نيوتوني و الکترومغناطيس به ابعاد کم براي اتم ها، ناسازگاري آفريد. اين ناسازگاري را مکانيک کوانتومي رفع کرد. پس در اينجا با دو تعميم يکي به سرعت هاي زياد و ديگري به ابعاد کم سرو کار داريم. هنگامي که هر دو تعميم لازم باشد از نظريه کوانتوم نسبيتي استفاده مي کنيم.
تعميم ها گاهي از نوع ديگرند. مثلاً نسبيت عام را مي توان با جمله کيهان شناختي نوشت يا بدون آن. به نظر مي رسد اين جمله در ابعاد کيهاني، چه در عالم اوليه و چه در زمان حال، نقش مهمي داشته باشد؛ اما در ابعاد منظومه شمسي مي توان از آن چشم پوشيد. پس مي بينيم که گاهي تعميم ،مثلاً از نوع اضافه کردن يک جمله کيهان شناختي ،به دقت اندازه گيري و اثرهاي مورد توجه بستگي دارد.
در اين بحث جهاني بودن قانون ها مشکل ديگري هم داريم. در فيزيک کميت هايي است که ما آنها را ثابت مي ناميم؛ سرعت نور c، ثابت جهاني گرانش G، ثابت پلانک h، و غيره. مي گوييم سرعت نور همواره ثابت است. مستقل از سرعت چشمه، از سرعت ناظر و از طول موج؛ يا مثلاً ثابت گرانش، که در فرمول جاذبه ي گرانشي نيوتوني پيش مي آيد، بستگي به مکان يا زمان ندارد. اگر کسي ادعا بکند که اين ثابت ها در اين محدوده زماني ما ثابت به نظر مي آيند، اما در چند ميليارد سال پيش مقدار ديگري داشته اند.آن گاه چگونه مي توانيم ادعاي خود را تحقيق کنيم. در 50 سال گذشته، بودند فيزيک دان هاي بنامي که چنين نکته هايي را مطرح کردند و نظريه هاي گوناگوني را بر مبناي ثابت نبودن اين «ثابت ها» محک زدند، اما اين کوشش ها هنوز ره به جايي نبرده است؛ نه به اين معني که ثابت بودن «ثابت ها» تحقيق شده است، بلکه اين که هنوز راهي براي فرمول بندي معقول اين ادعا و به کار بردن آن پيدا نشده است.
در همين زمينه جهاني بودن قوانين مي خواهم نکته آخري هم بيان کنم. ببينيد هنگامي که از قانون فيزيک صحبت مي کنم، منظورم اطلاق آن بر هر مصداقي است، يعني براي هر مورد خاص بايد بتوانم آن قانون را به کار ببرم. مثلاً سقوط يا پرتاب گلوله از همان قانوني پيروي مي کند که حرکت ماه به دور زمين، يا حرکت منظومه شمسي به دور مرکز کهکشان اگر از نيروي کولني صحبت مي کنيم فرمول آن بايد ميان هر دو نوع بار الکتريکي به کار برود. اما چگونه است که در مورد کل کيهان چنين نيست و از يک قانون صحبت نمي کنيم! تنها يک عالم بيشتر نداريم و اين عالم درون چيز ديگري غوطه ور نيست، آن گونه که مثلاً گلوله يا ماه در فضاي سه بعدي غوطه ور است. يک عالم بيشتر نداريم و هرچه هست خود عالم است، نه اين طرفش چيزي هست و نه آن طرفش!
هنگامي که مي خواهيم مسير يک گلوله را حساب کنيم، معادله حرکت آن را با شرايط اوليه خاصي حل مي کنيم؛ مثلاً مي دانيم از چه نقطه اي و با چه سرعتي حرکت را شروع کرده است. آن گاه است که مي توانيم آينده آن را پيشگويي کنيم. اما در مورد عالم نمي توانيم بگوييم و تحقيق کنيم که اگر مثلاً يک عالم با چه دما يا چه فشاري شروع مي شد، آن گاه چگونه منبسط مي شد! يک عالم بيشتر نداريم! پس هر نظريه ي کيهان شناسي بايد همين يک عالم را توضيح بدهد؛ نمي توانيم نظريه اي ابداع کنيم که عالم هاي مختلف را بررسي کند. بنابراين نظريه عالم بسيار متفاوت است با نظريه هاي ديگر فيزيک؛ و اين يک وجه امتياز کيهان شناسي است با پديده ها يا با نظريه هاي ديگري که در علم وجود دارد و شايد قابل مقايسه باشد با نظريه تکامل داروين. گرچه نظريه هاي جديد عالم تورمي همين يکتايي را هم خدشه دار کرده است؛ گويي عالم هايي با هر شرايط اوليه ي دلخواه ايجاد شده است. در چارچوب نظريه ي ريسمان نيز با عنوان «منظره» به معنايي ويژه عالم هاي متفاوتي مطرح مي شود که ما در يکي از آنها هستيم. اما اين ايده ها هنوز يکتا بودن عالم ما را که از آن صحبت کردم، در مقايسه با پديده هاي ديناميکي ديگر کنار نمي گذارد.
به اين ترتيب هنگامي که از کيهان شناسي صحبت مي کنيم به نکته هاي ظريفي توجه داريم. از جمله اينکه قانون هاي فيزيک را تا حد ممکن گسترش مکاني و زماني مي دهيم و بسيار ساده سازي ها مي کنيم تا بتوانيم در چارچوب فيزيک کيهان را بشناسيم، با عالم واقع آن را تطبيق بدهيم، و از اين طريق نقص هاي نظريه ها و فرضيه هاي خود را بيابيم. پس هرگاه من از کيهان شناسي صحبت مي کنم به اين مشکلات و به اين فرض ها آگاهم.
شايد به همين علت است که در کيهان شناسي کمتر از نظريه صحبت مي کنيم. نظريه ها جامعيتي فراتر از قانون ها در فيزيک دارند. پس چون کيهان يکتاست مي توان براي آن مدل داشت اما نه نظريه، مگر اينکه روزي ايده هاي مرتبط با منظره يا تورم ما را به جايي ببرد که بتوانيم براي عالم هاي متفاوت ديناميک و نظريه اي ويژه توصيف اين ديناميک ابداع کنيم. بي جهت نيست برخي فيزيک دانان و کيهان شناسان اصل وجود انسان را در کيهان شناسي مطرح کرده اند: عالم براي اين هست که ما (انسان) باشيم!
نسبيت عام نظريه اي به تمام معناست. نسبيت عام براي بيان گرانش ميان ماده و هندسه ارتباط برقرار مي کند. پس فراتر از يک قانون گرانش است. از قانون گرانش نيوتون به همين سبب معمولاً با لفظ نظريه ياد نمي شود، گرچه ترکيب نظريه ي گرانش نيوتن هم گاهي ديده مي شود. پس نظريه جامعيتي بيش از قانون دارد: قانون يا قانون هايي را توضيح مي دهد، دربر مي گيرد؛ از آن مدل هايي استخراج مي شود و بر آن مبنا پيشگويي هايي مي شود که مي توان با تجربه و يا رصد آنها را آزمود. نظر يا نظريه اي که تنها توصيف پديده هاي موجود را بکند ارزش علمي ندارد بايد بتوان از آن پيشگويي استخراج کرد که رصدپذير و اندازه پذير باشد؛ علاوه بر اين بايد بتواند پديده هاي موجود و شناخته شده را توصيف کند و همچنين در گستره اي ويژه به قانون هاي موجود مرتبط فروکاهيده شود.
توجه کنيد که مرتبط با هر پديده و قانون دست کم هزاران کار پژوهشي انجام شده است و هزاران نفر جنبه هاي گوناگون آن را کاويده اند. پس اگر ايده ي جديدي به ذهنتان رسيد تصور نکنيد شمات اولين نفر هستيد که اين ايده به شما الهام شده است!
در اين دنياي مدرن بايد ياد گرفت با قدرت قانون ها و نظريه ها و نيز محدوديت آنها آشنا شد و نيز با قانونمندي طبيعت، و حتي قانونمندي اجتماع هاي انساني، آشنا شد و نقش و اهميت قانون ها را شناخت تا بتوان راحت تر زندگي کرد، موفق تر گام برداشت و به ديگران آرامش داد. کم نيستند از ميان ما مديراني که اين قانون مندي ها را نمي خواهند بپذيرند، هنوز خيال مي کنند فاصله سرتا پاي عوج ابن عنق هزاران پا است؛ و خيال مي کنند هرچه بخواهند به فوريت تبديل به واقعيت مي شود، چه در اقتصاد چه در سياست، چه در اخلاق اجتماعي، و چه در رشد علمي کشور!
منبع: ماهنامه نجوم، شماره 189.