نویسنده: آلبرت اینشتین
ترجمه: ناصر موفقیان
ترجمه: ناصر موفقیان
علم کوششی است برای مطابقت دادن تنوع هرج و مرج آمیز تجربیات حسی ما با نوعی نظام فکری منطقاً یکنواخت. در این نظام تجربیات منفرد باید به طرزی با ساختار نظری همبستگی یابند که نظم و ترتیب کلی حاصل از آن منحصر به فرد و قانع کننده باشد.
تجربیات حسی موضوعاتی مفروض و معین هستند. اما نظریه ای که آنها را تفسیر خواهد کرد، ساخته و پرداخته انسانهاست. نظریه، حاصل فرایند بسیار پرزحمت انطباق است: فرضیه ای است که هیچ گاه قطعیت کامل نمی یابد و همواره در معرض سؤال و شکل قرار دارد.
راه و روش علمی تشکیل مفاهیم، با روشی که در زندگی روزانه به کار می بریم متفاوت است، ولی نه در اساس، بلکه صرفاً به سبب تعریف بسیار دقیقتر مفاهیم و نتیجه گیریها؛ و همچنین به سبب انتخاب پرزحمت‌تر و منظم‌تر مواد و مصالح آزمایشی و صرفه جویی منطقی پردامنه تر. منظور از صرفه جویی منطقی کوششی است که برای تحویل مفاهیم و همبستگیها به حداقل مفاهیم و اصول بدیهی اساسی و منطقاً مستقل به عمل می آید.
چیزی که ما آن را فیزیک می نامیم، در برگیرنده آن گروه از علوم طبیعی است که مفاهیم خود را بر پایه سنجش و اندازه گیری استوار می سازد و قضایای آن به فرمولبندیهای ریاضی نیز تن می دهند. بنابراین، قلمرو فیزیک را می توان آن بخش از کل معلومات ما دانست که قابل بیان به زبان ریاضیات است. همراه با پیشرفت علم، قلمرو فیزیک تا بدان حد گسترش یافته است که ظاهراً فقط محدودیتهای خود روش می تواند مرز و کرانه ای برای آن به وجود بیاورد.
بزرگترین بخش تحقیقات فیزیکی وقف توسعه شاخه های گوناگون این علم می شود. در هر یک از این شاخه ها، موضوع و هدف عبارت است از درک و فهم نظری زمینه های کم و بیش محدود تجربه، و در هر کدام از آنها قوانین و مفاهیم تا سرحد امکان به تجربه وابسته اند. همین بخش از علم است که، با تخصص یابی روزافزون، زندگی عملی را در قرنهای اخیر متحول کرده و امکان آن را پدید آورده است که بشر سرانجام بتواند از بار مشقات جسمانی برهد.
از سوی دیگر، از همان ابتدا دست اندرکاران کوشیده اند تا بنیان نظری وحدت آفرینی برای تمام این شاخه های علمی جدا از هم بیابند، بنیانی متشکل از حداقل مفاهیم و رابطه های بنیادین، که همه مفاهیم و روابط شاخه های جداگانه فیزیک را بتوان، با به کار بردن روش منطقی از آنها استخراج کرد. این همان چیزی است که ما آن را جست و جوی شالوده ای برای کل علم فیزیک می نامیم. اعتقاد قاطع به این امر که هدف نهایی اخیر دست یافتنی است مهمترین منبع اخلاص آتشینی است که همواره مشوق و محرک پژوهندگان بوده است. از همین جهت است که ملاحظات زیر نثار شالوده های علم فیزیک می شود.
براساس آنچه تا اینجا گفته شد، روشن است که کلمه شالوده ها در این زمینه، به طور کامل و جامع، مشابه شالوده های ساختمان نیست. البته، از نظر منطقی، قوانین گوناگون انفرادی علم فیزیک همه بر این شالوده استوارند. اما با این تفاوت که اگر ساختمانی بر اثر توفان شدید یا سیل بهاری بسختی آسیب ببیند، باز هم شالوده های آن دست نخورده باقی می ماند، ولی در قلمرو علم، شالوده منطقی همواره در برابر تجربیات جدید با معلومات جدید آسیب پذیرتر از شاخه های فرعی است که معمولاً با تجربه تماسهایی نزدیکتر دارند. اعتبار و اهمیت عظیم علم در رابطه ای نهفته است که بین شالوده و اجزای جداگانه اش وجود دارد، ولی همین رابطه در برابر عوامل تازه موجد بزرگترین خطر هم هست. هنگامی که این واقعیت را دریابیم، لزوماً این پرسش برایمان مطرح می شود که چرا دوره های به اصطلاح انقلابی علم فیزیک در گذشته شالوده آن را، به وسعت و عمق و وفوری که امروزه شاهدش هستیم، تغییر نداده اند.
نخستین کوششی که برای ایجاد شالوده نظری یکنواختی به عمل آمده کار نیوتن بود. در نظام او همه چیز به مفاهیم زیر منتهی می شود: 1- نقطه مادی یا جرم تغییر ناپذیر، 2- کنش از فاصله دوربین هر جفت از نقاط مادی، 3- قانون حرکت برای نقطه مادی. دقیقتر گفته باشیم، هیچ گونه شالوده جامعی که دربرگیرنده همه چیز باشد در بین نبود، زیرا فقط برای تأثیرات گرانشی با فاصله قانون صریحی تنظیم شده بود، حال آنکه برای دیگر کنشهای با فاصله هیچ گونه قانونی به طور لمی وضع نشده بود، مگر قانون برابری کنش و واکنش. خود نیوتن کاملاً دریافته بود که زمان و فضا، به عنوان عوامل فیزیکی مؤثر، دست کم به طور ضمنی، عناصر اساسی نظامش را تشکیل می دهند.
پایه نیوتنی فیزیک به طرزی چشمگیر ثمربخش بود، و تا پایان قرن نوزدهم نظر نهایی شمرده می شد. این پایه نه فقط در مورد حرکات اجسام سماوی، تا کوچکترین جزئیات آنها، کارساز بود، بلکه نظریه ای درباره مکانیک اجرام ناپیوسته و پیوسته، توضیح ساده ای درباره اصل بقای انرژی، و همچنین تئوری کامل و درخشانی درباره دما عرضه می داشت. توضیح واقعیتهای الکترودینامیک در نظام نیوتنی بیشتر از روی اجبار بود؛ و نظریه نور، از همان ابتدای امر کمتر از همه نظریه های دیگر قانع کننده به نظر می رسید.
این تعجب آور نیست که نیوتن به نظریه موجی نور توجهی نکرده باشد، زیرا چنین نظریه ای با شالوده نظری او از هر جهت ناسازگار بود. این فرض که فضا پر از ملأ خاصی است مرکب از نقاط مادی که امواج نوری را، بدون عرضه هیچ گونه خاصیت مکانیکی دیگری منتشر می کند، قاعدتاً باید به نظر نیوتن تصنعی آمده باشد. براهین تجربی نیرومندی که برای اثبات ماهیت موجی نور وجود دارد ـ سرعتهای ثابت انتشار (1)، تداخل (2)، پراش (3)، قطبی شدن (4) ـ در آن زمان یا ناشناخته بودند، یا در ترکیبی کاملاً منظم شناخته شده نبودند. بنابراین، نیوتن حق داشت که به نظریه ذره ای نور بچسبد.
در طول قرن نوزدهم این مناقشه به نفع نظریه موجی پایان یافت. با این حال هیچ گونه شک جدی درباره شالوده مکانیکی علم فیزیک به وجود نیامد، و علت هم، پیش از هر چیز، این بود که هیچ کس نمی دانست شالوده ای از نوع دیگر را در کجا باید یافت. تنها بر اثر فشار مقاومت ناپذیر واقعیات بود که شالوده تازه ای برای علم فیزیک به کندی پا گرفت: نظریه میدان.
از زمان نیوتن به بعد، نظریه کنش از فاصله دور همواره تصنعی به نظر می رسید. کم نبودند افرادی که می کوشیدند تا گرانش را به وسیله نوعی نظریه جنبشی توضیح دهند، یعنی بر پایه نیروهای تصادم ذرات مادی فرضی. ولی این کوششها سطحی بود و ثمری نداشت. نقش عجیبی که فضا (یا دستگاه لخت) در بطن شالوده مکانیکی علم فیزیک ایفا می کرد مورد توجه ارنست ماخ قرار گرفت و با وضوح خاصی از سوی او به نقد کشیده شد.
تحول بزرگ به وسیله فاراده، مکسول، و هرتز صورت گرفت و آن هم عملاً نیمه آگاهانه و برخلاف خواستشان. این هر سه نفر در تمام مدت عمرشان خود را پیرو نظریه مکانیکی می دانستند. هرتز ساده ترین شکل معادلات میدان الکترومغناطیسی را کشف کرده بود و اعلام می داشت که هر نظریه ای که به این معادلات بینجامد نوعی تئوری مکسولی است. با این حال، در اواخر عمر کوتاهش، رساله ای نگاشت که در آن نوعی تئوری مکانیکی فارغ از مفهوم نیرو را به عنوان شالوده علم فیزیک ارائه می کرد.
برای ما که افکار و اندیشه های فاراده را، اگر بتوان گفت، با شیر مادر جذب کرده ایم، ارزیابی عظمت و شهامت او بی نهایت دشوار است. فاراده قاعدتاً باید، با غریزه خطاناپذیرش، ماهیت تصنعی تمام کوششهایی را که برای انتساب پدیده های الکترومغناطیسی به کنشها و واکنشهای بین ذرات الکتریکی به عمل می آمد درک کرده باشد. هر ذره از مقداری براده آهن که روی یک صفحه کاغذ پخش شده باشد چگونه می تواند از وجود ذرات الکتریکی جداگانه و مشخصی که در رسانای (5) موجود در همان نزدیکی بسرعت می چرخند آگاه شود؟ از ظاهر امر چنین بر می آید که همه این ذرات الکتریکی با هم در فضای مجاور شرایطی پدید می آورند که به نوبه خود، در براده های آهن تأثیر می گذارد و نظمی معین بدانها می بخشد. فاراده یقین داشت که این حالتهای فضایی ـ که امروز میدان نامیده می شوند ـ اگر ساختار هندسی و تأثیرات متقابلشان شناخته شود، کلید اسرار کنشهای الکترومغناطیسی را به دست خواهند داد. وی این میدانها را همچون حالتهایی از فشار مکانیکی در نوعی ملأ فضا پرکن در نظر می گرفت ـ مشابه حالتهای فشار در جسم کسانی که کشیده شده باشد. زیرا در آن زمان این تنها راهی بود که از طریق آن می توانستند حالتهایی را که ظاهراً به صورتی مداوم در فضا توزیع می شد به تصور در آورند. نوع خاص تعبیر مکانیکی این میدانها در پس صحنه قرار می گرفت، و با توجه به سنت مکانیکی زمان فاراده، این نوع تسلی وجدان علمی محسوب می شد. به یاری این مفاهیم جدید میدان، فاراده موفق شد مفهومی کیفی درباره کل مجموعه اثرات الکترومغناطیسی که خود او و پیشینیانش کشف کرده بودند به دست دهد. فرمولبندی دقیق قوانین زمانی ـ فضایی این میدانها کار مکسول بود. تصورش را بکنید که وقتی مسکول دریافت معادلات دیفرانسیلی که ترتیب داده بود به اثبات می رساند که میدانهای الکترومغناطیسی به شکل امواج قطبی شده و با سرعت نور انتشار می یابند چه احساسی به او دست داد! کمتر مردانی در جهان به چنین تجربیات موفقیت آمیزی نایل آمده اند.
در آن لحظات پرهیجان، وی مسلماً حدسش را هم نمی زد که کیفیت معماگونه نور، که ظاهراً به کلی روشن شده بود، نسلهای بعدی را نیز همچنان به خود مشغول خواهد داشت، در عین حال، جهشی که نبوغ مکسول بر استنباطهای همکارانش تحمیل کرد، آنچنان جسورانه بود که چند دهه طول کشید تا فیزیکدانان توانستند به معنا و اهمیت کامل کشف او پی ببرند. فقط هنگامی که هرتز توانست وجود امواج الکترومغناطیسی مکسول را به طور تجربی به اثبات برساند، دیوار مقاومت در برابر نظریه جدید فرو ریخت.
اما اگر میدان الکترومغناطیسی می توانست همچون موجی مستقل از منبع مادی، وجود داشته باشد، آنگاه کنشهای متقابل الکترواستاتیک را دیگر نمی شد همچون کنش از فاصله دور در نظر گرفت. و آنچه در مورد کنش الکتریکی صدق می کرد، در مورد گرانش هم نفی ناپذیر می شد. همه جا «کنش از فاصله دور» نیوتنی به میدانهایی راه می داد که با سرعت متناهی انتشار می یافتند.
بنابراین، از شالوده نیوتنی اینک فقط نقاط مادی باقی می ماند که همچنان تابع قانون حرکت بود، ولی ج. ج. تامسن (6) خاطر نشان ساخت که هر جسم دارای بار الکتریکی در حال حرکت، بر اساس نظریه مکسول، باید دارای میدانی مغناطیسی باشد که انرژِی آن دقیقاً همان طور عمل کند که افزایش انرژِی جنبشی بر جسم عمل می کند. پس، اگر بخشی از انرژی جنبشی متشکل از انرژی میدان باشد، آیا این امر در مورد کل انرژِی جنبشی مصداق نتواند داشت؟ آیا نمی توان خصیصه اساسی ماده، یعنی لختی آن را نیز در چارچوب نظریه میدان توضیح داد؟ این پرسش به مسئله توضیح ماده بر اساس نظریه میدان انجامید، که حل آن می توانست توضیحی برای ساختار اتمی ماده فراهم آورد. ولی بزودی محقق شد که نظریه مکسول قادر نیست چنین برنامه ای را انجام دهد. از آن زمان به بعد، بسیاری از دانشمندان سرسختانه کوشیدند تا نظریه میدان را از طریق نوعی تعمیم، چنان تکمیل کنند که نظریه ماده را هم در برگیرد. ولی تاکنون این کوششها قرین موفقیت نبوده است. برای ساختن و پرداختن نظریه کافی نیست که استنباط روشنی از هدف داشته باشیم. برای این کار باید نظر گاهی اصولی نیز داشته باشیم که تنوع نامحدود امکانات را به اندازه کافی محدود کند. تا این لحظه، چنین نظرگاهی یافته نشده است. بدین ترتیب، نظریه میدان موفق نشده است شالوده ای برای کل علم فیزیک فراهم آورد.
تا چند دهه بسیاری از فیزیکدانان بدین اعتقاد چسبیدند که نوعی زیر ساخت مکانیکی برای نظریه مکسول به دست خواهد آمد. ولی حاصل ناخشنود کننده تلاشهایشان آنان را وادار ساخت که نظریه میدان را دارای مبانی غیرقابل تحویل بدانند ـ به دیگر سخن، فیزیکدانان خود را راضی کردند که از فکر شالوده ای مکانیکی دست بردارند.
بدین ترتیب، فیزیکدانان به نظریه میدان روی آوردند. اما نمی شد این نظریه را شالوده تلقی کرد، زیرا هیچ کس نمی توانست مدعی شود که نظریه میدان قادر است، از یک طرف، گرانش و، از طرف دیگر، اجزای اولیه ماده را توضیح دهد. در این مرحله از کار، ضرورت داشت که ذرات ماده را به عنوان نقطه هایی مادی در نظر بگیرند که تابع قوانین حرکت نیوتنی باشند. این شیوه ای بود که لورنتش به هنگام تدوین نظریه خود درباره الکترون و همچنین نظریه پدیده های الکترومغناطیسی اجسام متحرک، در پیش گرفت.
چنین بود نقطه ای که استنباطهای بنیادین در زمان چرخش قرن، بدان رسیده بودند. پیشرفتهای عظیمی در زمینه درک و فهم نظری گروههای کاملی از پدیده های تازه حاصل آمده بود. ولی استقرار شالوده ای واحد برای علم فیزیک هنوز واقعاً خیلی دور به نظر می رسید. و این وضع و حال حتی، با تحولات بعدی، تشدید هم شد. تکامل فیزیک در قرن حاضر، با دو نظام نظری اساساً مستقل از یکدیگر، مشخص می گردد: نظریه نسبیت و نظریه کوانتوم. این دو نظریه مستقیماً با یکدیگر در تضاد نیستند؛ اما به نظر نمی رسد که بتوانند در یکدیگر مستحیل شوند و به یک نظریه واحد مبدل گردند. لازم است که ایده بنیانی این دو نظام را به اختصار مورد بحث قرار دهیم.
نظریه نسبیت حاصل تلاشهایی بود که، با توجه به صرفه جویی منطقی، برای بهسازی شالوده علم فیزیک، به صورت یکه در هنگام چرخش قرن وجود داشت، انجام گرفت. نظریه مشهور به نسبیت خاص یا محدود، مبتنی بر این واقعیت است که معادلات مکسول (و بنابراین، قانون انتشار نور در فضای تهی) هنگامی که تبدیل لورنتش بر آنها وارد شود به معادلاتی مشابه مبدل می گردند. این خاصیت صوری معادلات مکسول، با این شناخت تجربی نسبتاً مطمئن ما که قوانین فیزیک در مورد تمام دستگاههای لخت یکسان است، تکمیل می شود. از این امر نتیجه می شود که تبدیل لورنتس ـ هنگامی که در مورد مختصات فضا و زمان به کار برده شود ـ باید حکم بر گذار از یک دستگاه لخت به هر دستگاه لخت دیگر باشد. بنابراین، محتوای نظریه نسبیت محدود را می توان در یک جمله خلاصه کرد: تمام قوانین طبیعی باید در چنان شرایطی قرار گیرند که نسبیت به تبدیلات لورنتس هموار باشند. از این امر نتیجه می شود که همزمانی دو رویداد دور دست، مفهومی ناروا نیست و ابعاد اجسام سخت و سرعت ساعتها وابسته به حالت حرکت آنهاست. نتیجه بعدی عبارت بود از تعدیل قانون حرکت نیوتن در مواردی که سرعت یک جسم معین، در قیاس با سرعت نور، ناچیز نباشد. نتیجه دیگری که حاصل شد، اصل هم ارزی جرم و انرژی بود که به موجب آن قوانین بقای جرم و انرژی به صورت قانونی واحد و یکسان در آمدند. از همان لحظه ای که نشان داده شد همزمانی امری نسبی و وابسته به چارچوب مرجع (7) است، هر نوع امکانی برای نگاه داشتن مفهوم کنشهای از فاصله دور در داخل شالوده علم فیزیک از بین رفت، زیرا این مفهوم مستلزم خصلت مطلق همزمانی بود (بدین معنا که باید امکان آن وجود می داشت که مکان دو نقطه مادی در حال کنش متقابل را «در زمان واحد» معین کنیم).
نظریه نسبیت عام از تلاشهایی سرچشمه گرفت که برای توضیح واقعیتی شناخته شده از عهده گالیله و نیوتن، به عمل آمده، ولی تاکنون به هیچ گونه تفسیری نظری نینجامیده است: لختی و وزن هر جسم، با آنکه دو چیز کاملاً متمایزند، به وسیله یک ثابت واحد و همسان، یعنی جرم، اندازه گیری می شوند. از این تناظر نتیجه می شود که غیر ممکن است از طریق آزمایش کشف کنیم که آیا یک دستگاه مختصات معین شتابدار است، یا حرکتش مستقیم الخط و یکنواخت است، و اثرات مشاهده شده ناشی از میدان گرانشی است (این اصل هم ارزی نظریه نسبیت عام است). این امر، به وجود آنکه گرانش پای در میان نهد، مفاهیم دستگاه لخت را در هم می شکند. در اینجا می توان اشاره کرد که دستگاه لخت یکی از نقاط ضعف مکانیک گالیله ای ـ نیوتنی است. چون پیشاپیش فرض شده است که فضای فیزیکی دارای خاصیت اسرار آمیزی است که دستگاههای مختصات را چنان ترتیب می دهد که قانون لختی و قانون نیوتنی حرکت در مورد آنها صادق باشد.
با اصل موضوعه زیرین می توان از این مشکلات اجتناب ورزید: قوانین طبیعی را باید به گونه ای فرمولبندی کرد که شکل آنها برای دستگاههای مختصات هر نوع حالت حرکت، همانند باشد. اجزای این کار، وظیفه نظریه نسبیت عام است. از سوی دیگر، با استنتاج از نظریه نسبیت خاص، به وجود متریک ریمانی در درون پیوستار فضا ـ زمان، پی می بریم که، بر اساس اصل هم ارزی، هم شارح میدان گرانشی است و هم توصیف کننده خواص متریک فضا. با این فرض که معادلات میدانی گرانش دیفرانسیل درجه دوم باشد، قانون میدان بروشنی معین می گردد.
گذشته از این نتیجه، نظریه مورد بحث فیزیک میدانی و همچنین مکانیک نیوتنی، را از ناتوانی رنج آورشان نیز می رهاند. منظور از این ناتوانی نسبت دادن آن خواص فیزیکی مستقل به فضاست که تاکنون با به کار بردن دستگاه لخت آنها را پنهان داشته بودند. ولی نمی توان مدعی شد که آن بخشهایی از نظریه نسبیت عام، که در حال حاضر می شود آنها را نهایی شمرد، شالوده کامل و رضایت بخشی برای علم فیزیک فراهم ساخته اند. در وهله نخست، میدان کلی در این نظریه، چنان به نظر می رسد که گویی از دو جزء منطقاً غیر متصل ترکیب شده است: جزء گرانشی و جزء الکترومغناطیسی. و در وهله بعدی، این نظریه هم مانند نظریه های پیشین میدان، تاکنون توضیحی برای ساختار اتمیستیک ماده به دست نداده است. این نقص احتمالاً با این امر ارتباط می یابد که تاکنون تئوری مذکور سهمی در تفهیم پدیده های کوانتومی نداشته است. برای پی بردن به این پدیده ها، فیزیکدانان ناگزیر به روشهایی کاملاً تازه روی آورده‌اند که اینک به بحث خصوصیات بنیانی آنها می نشینیم.
در سال 1900، در جریان تحقیقی کاملاً نظری، ماکس پلانک (8) به کشفی قابل توجه نایل آمد. قانون تابش اجسام به عنوان تابعی از دما، منحصراً از قوانین الکترود دینامیک مکسول قابل استنتاج نیست. برای رسیدن به نتایجی که با آزمایشهای مناسب سازگار باشد، تابشی با فرکانس معین را باید چنان در نظر گرفت که گویی متشکل است از اتمهای انرژیایی نوعی انرژیِ منفرد h , v که در آن h ثابت جهانی پلانک است. در طول سالهای بعد نشان داده شد که نور در همه جا به صورت یک چنین کوانتومهای انرژی تولید و جذب می شود. بویژه، نیلس بورتوانست ـ با این فرض که اتمها فقط می توانند دارای مقادیر گسسته انرژی باشند و اینکه گذرهای ناپیوسته بین آنها با صدور یا جذب این گونه کوانتومهای انرژی مرتبط است ـ به میزان زیادی ساختار اتم را در یابد. این امر تا حدی روشن ساخت که عناصر و ترکیبهای آنها در حالت گازی خود فقط نورهایی با فرکانسهای دقیقاً معین را می تابانند و جذب می کنند. تمام اینها در چارچوب نظریه های موجود تا آن موقع توضیح ناپذیر بود. آشکار بود که دست کم در زمینه پدیده های اتمیستیک، خصلت هر رویدادی به وسیله حالتهای گسسته و گذارهای آشکارا ناپیوسته بین آنها معین می شود، و در این میان ثابت h پلانک نقش قاطعی ایفا می کند.
گام بعدی را دو بروی برداشت. وی از خود می پرسید حالتهای گسسته را چگونه می توان به یاری مفاهیم جاری فهمید، و بدین طریق به وجود نوعی توازی با امواج عرضی مثلاً در مورد فرکانسهای خاص لوله های ارگ و سیمها در مبحث صوت، پی برد. در حقیقت، کنشهای موجی از این نوع ناشناخته بودند؛ ولی می شد آنها را ساخت و قوانین ریاضی آنها را، یا به کار گرفتن ثابت h پلانک فرمولبندی کرد. دو بروی، الکترونی را به تصور درآورد که در اطراف هسته اتم (چنانکه گویی با یک قطار موجی فرضی در ارتباط است) می گردد. و بدین طریق توانست به وسیله خصلت عرضی یا ساکن امواج متناظر، خصلت گسسته گذرگاههای «مجاز» بود را تا حدی قابل فهم کند.
اما در مکانیک، حرکت نقطه های مادی را به وسیله نیروها یا میدانهای نیرویی که بر آنها وارد می شود تعیین می کنند. بنابراین می بایست انتظار داشت که آن میدانهای نیرو نیز به همین نحو بر میدانهای موجی دوبروی تأثیر بگذارند. اروین شرودینگر، با ارائه زیرکانه تعبیر جدیدی از بعضی فرمولبندیهای مکانیک کلاسیک، نشان داد که این تأثیر را چگونه باید در نظر گرفت. او حتی موفق شد که نظریه مکانیکی موج را تا آنها گسترش دهد که بدون نیاز به هرگونه فرضیه اضافی، در مورد هر نوع نظام مکانیکی متشکل از تعدادی دلخواه از نقاط مادی (یعنی دارای تعدادی دلخواه از درجات آزادی) مصداق یابد. چنین چیزی امکان پذیر بود، زیرا هر نظام مکانیکی متشکل از n نقطه مادی، از نظر ریاضی، به میزان زیادی هم ارز نقطه مادی منفردی است که در فضای 3 بعدی در حرکت باشد.
بر پایه این نظریه، بسیاری از واقعیتهای بی نهایت متنوع که تا آن موقع کاملاً غیرقابل فهم به نظر می رسیدند، به طرزی شگفت آور باز نموده شدند. ولی در یک مورد، به نوعی بس عجیب، کار به شکست انجامید: عملاً ثابت شد که امکان ندارد حرکات معین نقطه های مادی را با این امواج شرودینگر پیوند داد ـ و این پیوند دادن، بعد از تمام حرفها هدف اصلی تمام ساختمان مورد بحث بود.
این مشکل رفع نشدنی به نظر می رسید تا آنکه به شیوه ای در عین حال ساده و دور از انتظار به دست بورن گشوده شد. میدانهای موجوی دوبروری شرودینگر را نمی بایست به عنوان توصیف ریاضی این امر در نظر گرفت که رویداد مفروض واقعاً چگونه در فضا و زمان صورت می گیرد، هر چند این میدانها بی تردید به چنین رویدادی مرتبطند. میدانهای مذکور بیشتر توصیف ریاضی چیزی هستند که ما عملاً و واقعاً درباره نظام مورد بحث می دانیم. آنها فقط بدین کار می آیند که اظهارنظرها و پیش بینی های آماری را درباره نتایج تمامی اندازه گیریهای ممکن در مورد دستگاه، میسر سازند.
اجازه دهید که این اوصاف کلی مکانیکی کوانتومی را به وسیله مثالی ساده تصور کنیم: نقطه مادی را در نظر می گیریم که نیروهایی با توان متناهی، آن را درون منطقه محدود G نگاه داشته است. اگر انرژی جنبشی این نقطه مادی کمتر از حد معینی باشد، آنوقت نقطه مادی، به موج مکانیک کلاسیک، هرگز نمی تواند منطقه G را ترک کند. ولی مطابق مکانیک کوانتومی این نقطه مادی، پس از دوره ای که فوراً قابل پیش بینی نیست، می تواند منطقه G را، در راستایی غیر قابل پیش بینی، ترک گوید و به فضای پیرامون بگریزد. این مورد، بنا به گفته گاموف (9)، مدل ساده شده ای است از تجزیه رادیواکتیو
تفسیر نظری کوانتومی این مورد به قرار زیر است: در زمان to، یک نظام موجی شرو دینگری کاملاً در داخل منطقه G قرار دارد. اما از زمان to به بعد، امواج درون منطقه G را از همه جهت ها به طریقی ترک می کنند که دامنه موج خارج شونده، در قیاس با دامنه آغازین نظام موجی درون G، کوچک است. به همان نسبت که این امواج خارجی بیشتر پخش می شوند، از دامنه امواج درون G و به نحوی متناظر، از شدت امواج بعدی صادر از منطقه G بیشتر کاسته می شود. فقط پس از گذشت زمانی بی نهایت، مقدار موج موجود در درون G به پایان می رسد، حال آنکه موج خارجی در سراسر فضایی همچنان افزایش یابنده پخش شده است.
ولی این فرایند موجی چه ارتباطی با نخستین موضوع مورد علاقه ما، یعنی ذره محصور در G، دارد؟ برای پاسخگویی به این پرسش، ما باید در عالم خیال ترتیبی بدهیم که اندازه گیری ذره را برایمان ممکن سازد. به عنوان مثال، در فضای اطراف پرده ای را به تصور درآوریم که وقتی ذره با آن تماس می یابد، بدان بچسبد، سپس، بر اساس شدت اصابت امواج به پرده در نقطه ای معین، احتمال اصابت ذره را به پرده در همان محل و همان زمان استنتاج می کنیم. به مجرد آنکه ذره به هر نقطه معینی از پرده اصابت کند، کل میدان موجی تمامی مفهوم فیزیکی خود را از دست می دهد. تنها هدف آن، در حقیقت، این بوده است که پیش بینیهای محتمل را درباره مکان و زمان برخورد ذره با پرده ممکن سازد (یا، برای مثال، اندازه حرکت آن را در زمان یکه به پرده اصابت می کند).
تمام موارد دیگر مشابه همین است. هدف این نظریه عبارت است از تعیین احتمال نتایج اندازه گیریهایی که در زمانی معین درباره نظامی مفروض به عمل می آید. از سوی دیگر، نظریه مورد بحث، کوششی به عمل نمی آورد تا نمایشی ریاضی از آنچه واقعاً در فضا و زمان می گذرد یا هست ارائه دهد. در این نکته، نظریه کوانتومی امروزین اساساً با تمام نظریه های پیشین علم فیزیک، اعم از مکانیکی و میدانی، تفاوت دارد. نظریه کوانتومی به جای توصیفی الگروار از رویدادهای واقعی فضا ـ زمان، توزیع های محتمل اندازه گیریهای ممکن را به عنوان توابع زمان، به دست می دهد.
باید پذیرفت که استنباط نظری جدید نه از پرواز عنان گسیخته اوهام و تصورات، بلکه از نیروی قاهر واقعیات تجربی سرچشمه گرفته است. تمام تلاشهایی که تاکنون برای نمایش مشخصات ذره ای و موجی متجلی در پدیده های نوری و مادی، از طریق توسل مستقیم به نوعی مدل فضا ـ زمان، به عمل آمده به شکست انجامیده است. و هایزنبرگ به طرزی قانع کننده، از دیدگاهی تجربی، نشان داده است که هر نوع نظر قاطع درباره ساختار اکیداً جبری (10) طبیعت، به سبب ساختار اتمیستی دستگاههای تجربی ما، قطعاً منفی است. پس، به احتمال قوی، انتظار نمی رود که هیچ نوع معلوماتی در آینده بتواند علم فیزیک را وادار سازد که شالوده نظری آماری کنونی ما را کنار بگذارد و بار دیگر به شالوده علیت گرایانه ای روی بیاورد که مستقیماً با واقعیت فیزیکی سروکار داشته باشد. منطقاً چنین می نماید که این مسئله در نوع امکان در برابر ما می نهد که بین آنها باید اصولاً انتخابی به عمل آوریم. اگر برحسب منطق سخن گوییم، سرانجام انتخاب بر این اساس به عمل خواهد آمد که کدام نوع توصیف فرمولبندی ساده ترین شالوده را به دست خواهد داد. در حال حاضر، ما بکلی فاقد هر نوع نظریه علیت گرایانه ای هستیم که خود رویدادها را به طور مستقیم و هماهنگ با واقعیات، توصیف کند.
در این صورت، فعلاً باید بپذیریم که هیچ نوع پایه نظری کلی، که بتوان آن را شالوده منطقی علم فیزیک شمرد، در اختیار نداریم. نظریه میدان، تا همینجا هم در حوزه مولکولی درمانده است. از هر سو پذیرفته شده است که تنها اصلی که بتوان آن را پایه نظریه کوانتومی شمرد، اصلی خواهد بود که بانی و باعث انتقال نظریه میدان به حوزه آمار کوانتومی باشد. اینکه چنین واقعه ای به طرز رضایتبخش صورت خواهد گرفت یا نه، مطلبی است که هیچ گونه پیش بینی درباره آن مقدور نیست.
بعضی از فیزیکدانان، از جمله خود من، تصور نمی کنند که ما باید فکر نمایش مستقیم و بی واسطه واقعیت فیزیکی در فضا و زمان را، در واقع و برای همیشه، کنار بگذاریم؛ یا لزوماً این نظر را بپذیریم که رویدادها در طبیعت شبیه بازیهای مبتنی بر بخت و تصادفند. راه بر هر انسانی گشوده است تا راستای کوششها و تلاشهای خود را برگزیند؛ چنانکه هر فرد بشر مختار است از این سخن نغز لسینگ (11) احساس آرامش کند که جست و جوی حقیقت بسی گرانبهاتر از تصاحب آن است.
تجربیات حسی موضوعاتی مفروض و معین هستند. اما نظریه ای که آنها را تفسیر خواهد کرد، ساخته و پرداخته انسانهاست. نظریه، حاصل فرایند بسیار پرزحمت انطباق است: فرضیه ای است که هیچ گاه قطعیت کامل نمی یابد و همواره در معرض سؤال و شکل قرار دارد.
راه و روش علمی تشکیل مفاهیم، با روشی که در زندگی روزانه به کار می بریم متفاوت است، ولی نه در اساس، بلکه صرفاً به سبب تعریف بسیار دقیقتر مفاهیم و نتیجه گیریها؛ و همچنین به سبب انتخاب پرزحمت‌تر و منظم‌تر مواد و مصالح آزمایشی و صرفه جویی منطقی پردامنه تر. منظور از صرفه جویی منطقی کوششی است که برای تحویل مفاهیم و همبستگیها به حداقل مفاهیم و اصول بدیهی اساسی و منطقاً مستقل به عمل می آید.
چیزی که ما آن را فیزیک می نامیم، در برگیرنده آن گروه از علوم طبیعی است که مفاهیم خود را بر پایه سنجش و اندازه گیری استوار می سازد و قضایای آن به فرمولبندیهای ریاضی نیز تن می دهند. بنابراین، قلمرو فیزیک را می توان آن بخش از کل معلومات ما دانست که قابل بیان به زبان ریاضیات است. همراه با پیشرفت علم، قلمرو فیزیک تا بدان حد گسترش یافته است که ظاهراً فقط محدودیتهای خود روش می تواند مرز و کرانه ای برای آن به وجود بیاورد.
بزرگترین بخش تحقیقات فیزیکی وقف توسعه شاخه های گوناگون این علم می شود. در هر یک از این شاخه ها، موضوع و هدف عبارت است از درک و فهم نظری زمینه های کم و بیش محدود تجربه، و در هر کدام از آنها قوانین و مفاهیم تا سرحد امکان به تجربه وابسته اند. همین بخش از علم است که، با تخصص یابی روزافزون، زندگی عملی را در قرنهای اخیر متحول کرده و امکان آن را پدید آورده است که بشر سرانجام بتواند از بار مشقات جسمانی برهد.
از سوی دیگر، از همان ابتدا دست اندرکاران کوشیده اند تا بنیان نظری وحدت آفرینی برای تمام این شاخه های علمی جدا از هم بیابند، بنیانی متشکل از حداقل مفاهیم و رابطه های بنیادین، که همه مفاهیم و روابط شاخه های جداگانه فیزیک را بتوان، با به کار بردن روش منطقی از آنها استخراج کرد. این همان چیزی است که ما آن را جست و جوی شالوده ای برای کل علم فیزیک می نامیم. اعتقاد قاطع به این امر که هدف نهایی اخیر دست یافتنی است مهمترین منبع اخلاص آتشینی است که همواره مشوق و محرک پژوهندگان بوده است. از همین جهت است که ملاحظات زیر نثار شالوده های علم فیزیک می شود.
براساس آنچه تا اینجا گفته شد، روشن است که کلمه شالوده ها در این زمینه، به طور کامل و جامع، مشابه شالوده های ساختمان نیست. البته، از نظر منطقی، قوانین گوناگون انفرادی علم فیزیک همه بر این شالوده استوارند. اما با این تفاوت که اگر ساختمانی بر اثر توفان شدید یا سیل بهاری بسختی آسیب ببیند، باز هم شالوده های آن دست نخورده باقی می ماند، ولی در قلمرو علم، شالوده منطقی همواره در برابر تجربیات جدید با معلومات جدید آسیب پذیرتر از شاخه های فرعی است که معمولاً با تجربه تماسهایی نزدیکتر دارند. اعتبار و اهمیت عظیم علم در رابطه ای نهفته است که بین شالوده و اجزای جداگانه اش وجود دارد، ولی همین رابطه در برابر عوامل تازه موجد بزرگترین خطر هم هست. هنگامی که این واقعیت را دریابیم، لزوماً این پرسش برایمان مطرح می شود که چرا دوره های به اصطلاح انقلابی علم فیزیک در گذشته شالوده آن را، به وسعت و عمق و وفوری که امروزه شاهدش هستیم، تغییر نداده اند.
نخستین کوششی که برای ایجاد شالوده نظری یکنواختی به عمل آمده کار نیوتن بود. در نظام او همه چیز به مفاهیم زیر منتهی می شود: 1- نقطه مادی یا جرم تغییر ناپذیر، 2- کنش از فاصله دوربین هر جفت از نقاط مادی، 3- قانون حرکت برای نقطه مادی. دقیقتر گفته باشیم، هیچ گونه شالوده جامعی که دربرگیرنده همه چیز باشد در بین نبود، زیرا فقط برای تأثیرات گرانشی با فاصله قانون صریحی تنظیم شده بود، حال آنکه برای دیگر کنشهای با فاصله هیچ گونه قانونی به طور لمی وضع نشده بود، مگر قانون برابری کنش و واکنش. خود نیوتن کاملاً دریافته بود که زمان و فضا، به عنوان عوامل فیزیکی مؤثر، دست کم به طور ضمنی، عناصر اساسی نظامش را تشکیل می دهند.
پایه نیوتنی فیزیک به طرزی چشمگیر ثمربخش بود، و تا پایان قرن نوزدهم نظر نهایی شمرده می شد. این پایه نه فقط در مورد حرکات اجسام سماوی، تا کوچکترین جزئیات آنها، کارساز بود، بلکه نظریه ای درباره مکانیک اجرام ناپیوسته و پیوسته، توضیح ساده ای درباره اصل بقای انرژی، و همچنین تئوری کامل و درخشانی درباره دما عرضه می داشت. توضیح واقعیتهای الکترودینامیک در نظام نیوتنی بیشتر از روی اجبار بود؛ و نظریه نور، از همان ابتدای امر کمتر از همه نظریه های دیگر قانع کننده به نظر می رسید.
این تعجب آور نیست که نیوتن به نظریه موجی نور توجهی نکرده باشد، زیرا چنین نظریه ای با شالوده نظری او از هر جهت ناسازگار بود. این فرض که فضا پر از ملأ خاصی است مرکب از نقاط مادی که امواج نوری را، بدون عرضه هیچ گونه خاصیت مکانیکی دیگری منتشر می کند، قاعدتاً باید به نظر نیوتن تصنعی آمده باشد. براهین تجربی نیرومندی که برای اثبات ماهیت موجی نور وجود دارد ـ سرعتهای ثابت انتشار (1)، تداخل (2)، پراش (3)، قطبی شدن (4) ـ در آن زمان یا ناشناخته بودند، یا در ترکیبی کاملاً منظم شناخته شده نبودند. بنابراین، نیوتن حق داشت که به نظریه ذره ای نور بچسبد.
در طول قرن نوزدهم این مناقشه به نفع نظریه موجی پایان یافت. با این حال هیچ گونه شک جدی درباره شالوده مکانیکی علم فیزیک به وجود نیامد، و علت هم، پیش از هر چیز، این بود که هیچ کس نمی دانست شالوده ای از نوع دیگر را در کجا باید یافت. تنها بر اثر فشار مقاومت ناپذیر واقعیات بود که شالوده تازه ای برای علم فیزیک به کندی پا گرفت: نظریه میدان.
از زمان نیوتن به بعد، نظریه کنش از فاصله دور همواره تصنعی به نظر می رسید. کم نبودند افرادی که می کوشیدند تا گرانش را به وسیله نوعی نظریه جنبشی توضیح دهند، یعنی بر پایه نیروهای تصادم ذرات مادی فرضی. ولی این کوششها سطحی بود و ثمری نداشت. نقش عجیبی که فضا (یا دستگاه لخت) در بطن شالوده مکانیکی علم فیزیک ایفا می کرد مورد توجه ارنست ماخ قرار گرفت و با وضوح خاصی از سوی او به نقد کشیده شد.
تحول بزرگ به وسیله فاراده، مکسول، و هرتز صورت گرفت و آن هم عملاً نیمه آگاهانه و برخلاف خواستشان. این هر سه نفر در تمام مدت عمرشان خود را پیرو نظریه مکانیکی می دانستند. هرتز ساده ترین شکل معادلات میدان الکترومغناطیسی را کشف کرده بود و اعلام می داشت که هر نظریه ای که به این معادلات بینجامد نوعی تئوری مکسولی است. با این حال، در اواخر عمر کوتاهش، رساله ای نگاشت که در آن نوعی تئوری مکانیکی فارغ از مفهوم نیرو را به عنوان شالوده علم فیزیک ارائه می کرد.
برای ما که افکار و اندیشه های فاراده را، اگر بتوان گفت، با شیر مادر جذب کرده ایم، ارزیابی عظمت و شهامت او بی نهایت دشوار است. فاراده قاعدتاً باید، با غریزه خطاناپذیرش، ماهیت تصنعی تمام کوششهایی را که برای انتساب پدیده های الکترومغناطیسی به کنشها و واکنشهای بین ذرات الکتریکی به عمل می آمد درک کرده باشد. هر ذره از مقداری براده آهن که روی یک صفحه کاغذ پخش شده باشد چگونه می تواند از وجود ذرات الکتریکی جداگانه و مشخصی که در رسانای (5) موجود در همان نزدیکی بسرعت می چرخند آگاه شود؟ از ظاهر امر چنین بر می آید که همه این ذرات الکتریکی با هم در فضای مجاور شرایطی پدید می آورند که به نوبه خود، در براده های آهن تأثیر می گذارد و نظمی معین بدانها می بخشد. فاراده یقین داشت که این حالتهای فضایی ـ که امروز میدان نامیده می شوند ـ اگر ساختار هندسی و تأثیرات متقابلشان شناخته شود، کلید اسرار کنشهای الکترومغناطیسی را به دست خواهند داد. وی این میدانها را همچون حالتهایی از فشار مکانیکی در نوعی ملأ فضا پرکن در نظر می گرفت ـ مشابه حالتهای فشار در جسم کسانی که کشیده شده باشد. زیرا در آن زمان این تنها راهی بود که از طریق آن می توانستند حالتهایی را که ظاهراً به صورتی مداوم در فضا توزیع می شد به تصور در آورند. نوع خاص تعبیر مکانیکی این میدانها در پس صحنه قرار می گرفت، و با توجه به سنت مکانیکی زمان فاراده، این نوع تسلی وجدان علمی محسوب می شد. به یاری این مفاهیم جدید میدان، فاراده موفق شد مفهومی کیفی درباره کل مجموعه اثرات الکترومغناطیسی که خود او و پیشینیانش کشف کرده بودند به دست دهد. فرمولبندی دقیق قوانین زمانی ـ فضایی این میدانها کار مکسول بود. تصورش را بکنید که وقتی مسکول دریافت معادلات دیفرانسیلی که ترتیب داده بود به اثبات می رساند که میدانهای الکترومغناطیسی به شکل امواج قطبی شده و با سرعت نور انتشار می یابند چه احساسی به او دست داد! کمتر مردانی در جهان به چنین تجربیات موفقیت آمیزی نایل آمده اند.
در آن لحظات پرهیجان، وی مسلماً حدسش را هم نمی زد که کیفیت معماگونه نور، که ظاهراً به کلی روشن شده بود، نسلهای بعدی را نیز همچنان به خود مشغول خواهد داشت، در عین حال، جهشی که نبوغ مکسول بر استنباطهای همکارانش تحمیل کرد، آنچنان جسورانه بود که چند دهه طول کشید تا فیزیکدانان توانستند به معنا و اهمیت کامل کشف او پی ببرند. فقط هنگامی که هرتز توانست وجود امواج الکترومغناطیسی مکسول را به طور تجربی به اثبات برساند، دیوار مقاومت در برابر نظریه جدید فرو ریخت.
اما اگر میدان الکترومغناطیسی می توانست همچون موجی مستقل از منبع مادی، وجود داشته باشد، آنگاه کنشهای متقابل الکترواستاتیک را دیگر نمی شد همچون کنش از فاصله دور در نظر گرفت. و آنچه در مورد کنش الکتریکی صدق می کرد، در مورد گرانش هم نفی ناپذیر می شد. همه جا «کنش از فاصله دور» نیوتنی به میدانهایی راه می داد که با سرعت متناهی انتشار می یافتند.
بنابراین، از شالوده نیوتنی اینک فقط نقاط مادی باقی می ماند که همچنان تابع قانون حرکت بود، ولی ج. ج. تامسن (6) خاطر نشان ساخت که هر جسم دارای بار الکتریکی در حال حرکت، بر اساس نظریه مکسول، باید دارای میدانی مغناطیسی باشد که انرژِی آن دقیقاً همان طور عمل کند که افزایش انرژِی جنبشی بر جسم عمل می کند. پس، اگر بخشی از انرژی جنبشی متشکل از انرژی میدان باشد، آیا این امر در مورد کل انرژِی جنبشی مصداق نتواند داشت؟ آیا نمی توان خصیصه اساسی ماده، یعنی لختی آن را نیز در چارچوب نظریه میدان توضیح داد؟ این پرسش به مسئله توضیح ماده بر اساس نظریه میدان انجامید، که حل آن می توانست توضیحی برای ساختار اتمی ماده فراهم آورد. ولی بزودی محقق شد که نظریه مکسول قادر نیست چنین برنامه ای را انجام دهد. از آن زمان به بعد، بسیاری از دانشمندان سرسختانه کوشیدند تا نظریه میدان را از طریق نوعی تعمیم، چنان تکمیل کنند که نظریه ماده را هم در برگیرد. ولی تاکنون این کوششها قرین موفقیت نبوده است. برای ساختن و پرداختن نظریه کافی نیست که استنباط روشنی از هدف داشته باشیم. برای این کار باید نظر گاهی اصولی نیز داشته باشیم که تنوع نامحدود امکانات را به اندازه کافی محدود کند. تا این لحظه، چنین نظرگاهی یافته نشده است. بدین ترتیب، نظریه میدان موفق نشده است شالوده ای برای کل علم فیزیک فراهم آورد.
تا چند دهه بسیاری از فیزیکدانان بدین اعتقاد چسبیدند که نوعی زیر ساخت مکانیکی برای نظریه مکسول به دست خواهد آمد. ولی حاصل ناخشنود کننده تلاشهایشان آنان را وادار ساخت که نظریه میدان را دارای مبانی غیرقابل تحویل بدانند ـ به دیگر سخن، فیزیکدانان خود را راضی کردند که از فکر شالوده ای مکانیکی دست بردارند.
بدین ترتیب، فیزیکدانان به نظریه میدان روی آوردند. اما نمی شد این نظریه را شالوده تلقی کرد، زیرا هیچ کس نمی توانست مدعی شود که نظریه میدان قادر است، از یک طرف، گرانش و، از طرف دیگر، اجزای اولیه ماده را توضیح دهد. در این مرحله از کار، ضرورت داشت که ذرات ماده را به عنوان نقطه هایی مادی در نظر بگیرند که تابع قوانین حرکت نیوتنی باشند. این شیوه ای بود که لورنتش به هنگام تدوین نظریه خود درباره الکترون و همچنین نظریه پدیده های الکترومغناطیسی اجسام متحرک، در پیش گرفت.
چنین بود نقطه ای که استنباطهای بنیادین در زمان چرخش قرن، بدان رسیده بودند. پیشرفتهای عظیمی در زمینه درک و فهم نظری گروههای کاملی از پدیده های تازه حاصل آمده بود. ولی استقرار شالوده ای واحد برای علم فیزیک هنوز واقعاً خیلی دور به نظر می رسید. و این وضع و حال حتی، با تحولات بعدی، تشدید هم شد. تکامل فیزیک در قرن حاضر، با دو نظام نظری اساساً مستقل از یکدیگر، مشخص می گردد: نظریه نسبیت و نظریه کوانتوم. این دو نظریه مستقیماً با یکدیگر در تضاد نیستند؛ اما به نظر نمی رسد که بتوانند در یکدیگر مستحیل شوند و به یک نظریه واحد مبدل گردند. لازم است که ایده بنیانی این دو نظام را به اختصار مورد بحث قرار دهیم.
نظریه نسبیت حاصل تلاشهایی بود که، با توجه به صرفه جویی منطقی، برای بهسازی شالوده علم فیزیک، به صورت یکه در هنگام چرخش قرن وجود داشت، انجام گرفت. نظریه مشهور به نسبیت خاص یا محدود، مبتنی بر این واقعیت است که معادلات مکسول (و بنابراین، قانون انتشار نور در فضای تهی) هنگامی که تبدیل لورنتش بر آنها وارد شود به معادلاتی مشابه مبدل می گردند. این خاصیت صوری معادلات مکسول، با این شناخت تجربی نسبتاً مطمئن ما که قوانین فیزیک در مورد تمام دستگاههای لخت یکسان است، تکمیل می شود. از این امر نتیجه می شود که تبدیل لورنتس ـ هنگامی که در مورد مختصات فضا و زمان به کار برده شود ـ باید حکم بر گذار از یک دستگاه لخت به هر دستگاه لخت دیگر باشد. بنابراین، محتوای نظریه نسبیت محدود را می توان در یک جمله خلاصه کرد: تمام قوانین طبیعی باید در چنان شرایطی قرار گیرند که نسبیت به تبدیلات لورنتس هموار باشند. از این امر نتیجه می شود که همزمانی دو رویداد دور دست، مفهومی ناروا نیست و ابعاد اجسام سخت و سرعت ساعتها وابسته به حالت حرکت آنهاست. نتیجه بعدی عبارت بود از تعدیل قانون حرکت نیوتن در مواردی که سرعت یک جسم معین، در قیاس با سرعت نور، ناچیز نباشد. نتیجه دیگری که حاصل شد، اصل هم ارزی جرم و انرژی بود که به موجب آن قوانین بقای جرم و انرژی به صورت قانونی واحد و یکسان در آمدند. از همان لحظه ای که نشان داده شد همزمانی امری نسبی و وابسته به چارچوب مرجع (7) است، هر نوع امکانی برای نگاه داشتن مفهوم کنشهای از فاصله دور در داخل شالوده علم فیزیک از بین رفت، زیرا این مفهوم مستلزم خصلت مطلق همزمانی بود (بدین معنا که باید امکان آن وجود می داشت که مکان دو نقطه مادی در حال کنش متقابل را «در زمان واحد» معین کنیم).
نظریه نسبیت عام از تلاشهایی سرچشمه گرفت که برای توضیح واقعیتی شناخته شده از عهده گالیله و نیوتن، به عمل آمده، ولی تاکنون به هیچ گونه تفسیری نظری نینجامیده است: لختی و وزن هر جسم، با آنکه دو چیز کاملاً متمایزند، به وسیله یک ثابت واحد و همسان، یعنی جرم، اندازه گیری می شوند. از این تناظر نتیجه می شود که غیر ممکن است از طریق آزمایش کشف کنیم که آیا یک دستگاه مختصات معین شتابدار است، یا حرکتش مستقیم الخط و یکنواخت است، و اثرات مشاهده شده ناشی از میدان گرانشی است (این اصل هم ارزی نظریه نسبیت عام است). این امر، به وجود آنکه گرانش پای در میان نهد، مفاهیم دستگاه لخت را در هم می شکند. در اینجا می توان اشاره کرد که دستگاه لخت یکی از نقاط ضعف مکانیک گالیله ای ـ نیوتنی است. چون پیشاپیش فرض شده است که فضای فیزیکی دارای خاصیت اسرار آمیزی است که دستگاههای مختصات را چنان ترتیب می دهد که قانون لختی و قانون نیوتنی حرکت در مورد آنها صادق باشد.
با اصل موضوعه زیرین می توان از این مشکلات اجتناب ورزید: قوانین طبیعی را باید به گونه ای فرمولبندی کرد که شکل آنها برای دستگاههای مختصات هر نوع حالت حرکت، همانند باشد. اجزای این کار، وظیفه نظریه نسبیت عام است. از سوی دیگر، با استنتاج از نظریه نسبیت خاص، به وجود متریک ریمانی در درون پیوستار فضا ـ زمان، پی می بریم که، بر اساس اصل هم ارزی، هم شارح میدان گرانشی است و هم توصیف کننده خواص متریک فضا. با این فرض که معادلات میدانی گرانش دیفرانسیل درجه دوم باشد، قانون میدان بروشنی معین می گردد.
گذشته از این نتیجه، نظریه مورد بحث فیزیک میدانی و همچنین مکانیک نیوتنی، را از ناتوانی رنج آورشان نیز می رهاند. منظور از این ناتوانی نسبت دادن آن خواص فیزیکی مستقل به فضاست که تاکنون با به کار بردن دستگاه لخت آنها را پنهان داشته بودند. ولی نمی توان مدعی شد که آن بخشهایی از نظریه نسبیت عام، که در حال حاضر می شود آنها را نهایی شمرد، شالوده کامل و رضایت بخشی برای علم فیزیک فراهم ساخته اند. در وهله نخست، میدان کلی در این نظریه، چنان به نظر می رسد که گویی از دو جزء منطقاً غیر متصل ترکیب شده است: جزء گرانشی و جزء الکترومغناطیسی. و در وهله بعدی، این نظریه هم مانند نظریه های پیشین میدان، تاکنون توضیحی برای ساختار اتمیستیک ماده به دست نداده است. این نقص احتمالاً با این امر ارتباط می یابد که تاکنون تئوری مذکور سهمی در تفهیم پدیده های کوانتومی نداشته است. برای پی بردن به این پدیده ها، فیزیکدانان ناگزیر به روشهایی کاملاً تازه روی آورده‌اند که اینک به بحث خصوصیات بنیانی آنها می نشینیم.
در سال 1900، در جریان تحقیقی کاملاً نظری، ماکس پلانک (8) به کشفی قابل توجه نایل آمد. قانون تابش اجسام به عنوان تابعی از دما، منحصراً از قوانین الکترود دینامیک مکسول قابل استنتاج نیست. برای رسیدن به نتایجی که با آزمایشهای مناسب سازگار باشد، تابشی با فرکانس معین را باید چنان در نظر گرفت که گویی متشکل است از اتمهای انرژیایی نوعی انرژیِ منفرد h , v که در آن h ثابت جهانی پلانک است. در طول سالهای بعد نشان داده شد که نور در همه جا به صورت یک چنین کوانتومهای انرژی تولید و جذب می شود. بویژه، نیلس بورتوانست ـ با این فرض که اتمها فقط می توانند دارای مقادیر گسسته انرژی باشند و اینکه گذرهای ناپیوسته بین آنها با صدور یا جذب این گونه کوانتومهای انرژی مرتبط است ـ به میزان زیادی ساختار اتم را در یابد. این امر تا حدی روشن ساخت که عناصر و ترکیبهای آنها در حالت گازی خود فقط نورهایی با فرکانسهای دقیقاً معین را می تابانند و جذب می کنند. تمام اینها در چارچوب نظریه های موجود تا آن موقع توضیح ناپذیر بود. آشکار بود که دست کم در زمینه پدیده های اتمیستیک، خصلت هر رویدادی به وسیله حالتهای گسسته و گذارهای آشکارا ناپیوسته بین آنها معین می شود، و در این میان ثابت h پلانک نقش قاطعی ایفا می کند.
گام بعدی را دو بروی برداشت. وی از خود می پرسید حالتهای گسسته را چگونه می توان به یاری مفاهیم جاری فهمید، و بدین طریق به وجود نوعی توازی با امواج عرضی مثلاً در مورد فرکانسهای خاص لوله های ارگ و سیمها در مبحث صوت، پی برد. در حقیقت، کنشهای موجی از این نوع ناشناخته بودند؛ ولی می شد آنها را ساخت و قوانین ریاضی آنها را، یا به کار گرفتن ثابت h پلانک فرمولبندی کرد. دو بروی، الکترونی را به تصور درآورد که در اطراف هسته اتم (چنانکه گویی با یک قطار موجی فرضی در ارتباط است) می گردد. و بدین طریق توانست به وسیله خصلت عرضی یا ساکن امواج متناظر، خصلت گسسته گذرگاههای «مجاز» بود را تا حدی قابل فهم کند.
اما در مکانیک، حرکت نقطه های مادی را به وسیله نیروها یا میدانهای نیرویی که بر آنها وارد می شود تعیین می کنند. بنابراین می بایست انتظار داشت که آن میدانهای نیرو نیز به همین نحو بر میدانهای موجی دوبروی تأثیر بگذارند. اروین شرودینگر، با ارائه زیرکانه تعبیر جدیدی از بعضی فرمولبندیهای مکانیک کلاسیک، نشان داد که این تأثیر را چگونه باید در نظر گرفت. او حتی موفق شد که نظریه مکانیکی موج را تا آنها گسترش دهد که بدون نیاز به هرگونه فرضیه اضافی، در مورد هر نوع نظام مکانیکی متشکل از تعدادی دلخواه از نقاط مادی (یعنی دارای تعدادی دلخواه از درجات آزادی) مصداق یابد. چنین چیزی امکان پذیر بود، زیرا هر نظام مکانیکی متشکل از n نقطه مادی، از نظر ریاضی، به میزان زیادی هم ارز نقطه مادی منفردی است که در فضای 3 بعدی در حرکت باشد.
بر پایه این نظریه، بسیاری از واقعیتهای بی نهایت متنوع که تا آن موقع کاملاً غیرقابل فهم به نظر می رسیدند، به طرزی شگفت آور باز نموده شدند. ولی در یک مورد، به نوعی بس عجیب، کار به شکست انجامید: عملاً ثابت شد که امکان ندارد حرکات معین نقطه های مادی را با این امواج شرودینگر پیوند داد ـ و این پیوند دادن، بعد از تمام حرفها هدف اصلی تمام ساختمان مورد بحث بود.
این مشکل رفع نشدنی به نظر می رسید تا آنکه به شیوه ای در عین حال ساده و دور از انتظار به دست بورن گشوده شد. میدانهای موجوی دوبروری شرودینگر را نمی بایست به عنوان توصیف ریاضی این امر در نظر گرفت که رویداد مفروض واقعاً چگونه در فضا و زمان صورت می گیرد، هر چند این میدانها بی تردید به چنین رویدادی مرتبطند. میدانهای مذکور بیشتر توصیف ریاضی چیزی هستند که ما عملاً و واقعاً درباره نظام مورد بحث می دانیم. آنها فقط بدین کار می آیند که اظهارنظرها و پیش بینی های آماری را درباره نتایج تمامی اندازه گیریهای ممکن در مورد دستگاه، میسر سازند.
اجازه دهید که این اوصاف کلی مکانیکی کوانتومی را به وسیله مثالی ساده تصور کنیم: نقطه مادی را در نظر می گیریم که نیروهایی با توان متناهی، آن را درون منطقه محدود G نگاه داشته است. اگر انرژی جنبشی این نقطه مادی کمتر از حد معینی باشد، آنوقت نقطه مادی، به موج مکانیک کلاسیک، هرگز نمی تواند منطقه G را ترک کند. ولی مطابق مکانیک کوانتومی این نقطه مادی، پس از دوره ای که فوراً قابل پیش بینی نیست، می تواند منطقه G را، در راستایی غیر قابل پیش بینی، ترک گوید و به فضای پیرامون بگریزد. این مورد، بنا به گفته گاموف (9)، مدل ساده شده ای است از تجزیه رادیواکتیو
تفسیر نظری کوانتومی این مورد به قرار زیر است: در زمان to، یک نظام موجی شرو دینگری کاملاً در داخل منطقه G قرار دارد. اما از زمان to به بعد، امواج درون منطقه G را از همه جهت ها به طریقی ترک می کنند که دامنه موج خارج شونده، در قیاس با دامنه آغازین نظام موجی درون G، کوچک است. به همان نسبت که این امواج خارجی بیشتر پخش می شوند، از دامنه امواج درون G و به نحوی متناظر، از شدت امواج بعدی صادر از منطقه G بیشتر کاسته می شود. فقط پس از گذشت زمانی بی نهایت، مقدار موج موجود در درون G به پایان می رسد، حال آنکه موج خارجی در سراسر فضایی همچنان افزایش یابنده پخش شده است.
ولی این فرایند موجی چه ارتباطی با نخستین موضوع مورد علاقه ما، یعنی ذره محصور در G، دارد؟ برای پاسخگویی به این پرسش، ما باید در عالم خیال ترتیبی بدهیم که اندازه گیری ذره را برایمان ممکن سازد. به عنوان مثال، در فضای اطراف پرده ای را به تصور درآوریم که وقتی ذره با آن تماس می یابد، بدان بچسبد، سپس، بر اساس شدت اصابت امواج به پرده در نقطه ای معین، احتمال اصابت ذره را به پرده در همان محل و همان زمان استنتاج می کنیم. به مجرد آنکه ذره به هر نقطه معینی از پرده اصابت کند، کل میدان موجی تمامی مفهوم فیزیکی خود را از دست می دهد. تنها هدف آن، در حقیقت، این بوده است که پیش بینیهای محتمل را درباره مکان و زمان برخورد ذره با پرده ممکن سازد (یا، برای مثال، اندازه حرکت آن را در زمان یکه به پرده اصابت می کند).
تمام موارد دیگر مشابه همین است. هدف این نظریه عبارت است از تعیین احتمال نتایج اندازه گیریهایی که در زمانی معین درباره نظامی مفروض به عمل می آید. از سوی دیگر، نظریه مورد بحث، کوششی به عمل نمی آورد تا نمایشی ریاضی از آنچه واقعاً در فضا و زمان می گذرد یا هست ارائه دهد. در این نکته، نظریه کوانتومی امروزین اساساً با تمام نظریه های پیشین علم فیزیک، اعم از مکانیکی و میدانی، تفاوت دارد. نظریه کوانتومی به جای توصیفی الگروار از رویدادهای واقعی فضا ـ زمان، توزیع های محتمل اندازه گیریهای ممکن را به عنوان توابع زمان، به دست می دهد.
باید پذیرفت که استنباط نظری جدید نه از پرواز عنان گسیخته اوهام و تصورات، بلکه از نیروی قاهر واقعیات تجربی سرچشمه گرفته است. تمام تلاشهایی که تاکنون برای نمایش مشخصات ذره ای و موجی متجلی در پدیده های نوری و مادی، از طریق توسل مستقیم به نوعی مدل فضا ـ زمان، به عمل آمده به شکست انجامیده است. و هایزنبرگ به طرزی قانع کننده، از دیدگاهی تجربی، نشان داده است که هر نوع نظر قاطع درباره ساختار اکیداً جبری (10) طبیعت، به سبب ساختار اتمیستی دستگاههای تجربی ما، قطعاً منفی است. پس، به احتمال قوی، انتظار نمی رود که هیچ نوع معلوماتی در آینده بتواند علم فیزیک را وادار سازد که شالوده نظری آماری کنونی ما را کنار بگذارد و بار دیگر به شالوده علیت گرایانه ای روی بیاورد که مستقیماً با واقعیت فیزیکی سروکار داشته باشد. منطقاً چنین می نماید که این مسئله در نوع امکان در برابر ما می نهد که بین آنها باید اصولاً انتخابی به عمل آوریم. اگر برحسب منطق سخن گوییم، سرانجام انتخاب بر این اساس به عمل خواهد آمد که کدام نوع توصیف فرمولبندی ساده ترین شالوده را به دست خواهد داد. در حال حاضر، ما بکلی فاقد هر نوع نظریه علیت گرایانه ای هستیم که خود رویدادها را به طور مستقیم و هماهنگ با واقعیات، توصیف کند.
در این صورت، فعلاً باید بپذیریم که هیچ نوع پایه نظری کلی، که بتوان آن را شالوده منطقی علم فیزیک شمرد، در اختیار نداریم. نظریه میدان، تا همینجا هم در حوزه مولکولی درمانده است. از هر سو پذیرفته شده است که تنها اصلی که بتوان آن را پایه نظریه کوانتومی شمرد، اصلی خواهد بود که بانی و باعث انتقال نظریه میدان به حوزه آمار کوانتومی باشد. اینکه چنین واقعه ای به طرز رضایتبخش صورت خواهد گرفت یا نه، مطلبی است که هیچ گونه پیش بینی درباره آن مقدور نیست.
بعضی از فیزیکدانان، از جمله خود من، تصور نمی کنند که ما باید فکر نمایش مستقیم و بی واسطه واقعیت فیزیکی در فضا و زمان را، در واقع و برای همیشه، کنار بگذاریم؛ یا لزوماً این نظر را بپذیریم که رویدادها در طبیعت شبیه بازیهای مبتنی بر بخت و تصادفند. راه بر هر انسانی گشوده است تا راستای کوششها و تلاشهای خود را برگزیند؛ چنانکه هر فرد بشر مختار است از این سخن نغز لسینگ (11) احساس آرامش کند که جست و جوی حقیقت بسی گرانبهاتر از تصاحب آن است.
پی‌نوشت‌ها:
1.Propagation
2.interference
3.diffraction
4.polarization
5.conductor
6.J. J. Thomson
7.frame of reference
8.Max Plank
9.Gamow
10.deterministic
11.Lessing
/ج
