نویسنده: ورنر کارل هایزنبرگ
مترجم: کامبیز گوتن

مقدمه

فرانکلین لوفان باومر:
کتابی که قطعات زیرین از آن انتخاب شده اند عنوانش در اصل Das Naturbild der heutigen physik بود که به سال 1955 انتشار یافت. در آن، ورنر هایزنبرگ(76-1901)، فیزیکدان برجسته آلمانی، ایده هایی را که در مورد طبیعت از قرون وسطی تا قرن بیستم وجود می داشته به طور خلاصه بررسی نموده و به مقایسه آنها می پردازد. او همچنین از اصل عدم قطعیتIndeterminacy یا نا- یقینیUncertainty صحبت می کند، اصلی در شناخت که در ارائه اش خود وی ابتکار نشان داده و پیشگام بود( در مورد این اصل به بحث آرتور کِستلر و سِرجیمز جینز در صفحات پیشین همین بخش رجوع کنید). هایزنبرگ به سال 1932 به دریافت جایزه نوبل توفیق یافت، و بعد از جنگ جهانی دوم ریاست انستیتو فیزیک کایزر ویلهلم در برلین را برعهده داشت.

مسئله طبیعت(*)

تغییرات حاصله در بینش پژوهشگر نسبت به طبیعت.
بجاست که ابتدا نگاهی به ریشه های تاریخی علم نوین بیندازیم. به هنگامی که این علم توسط کِپلر، گالیله و نیوتن در قرن هفدهم پایه گذاری می شد، هنوز آن ایده از طبیعت که سابقه اش به قرون وسطی می رسید حاکم بود. طبیعت را خداوند آفریده بود، و پرسش درباره جهان مادی بی در نظر گرفتن خدا بی معنی می نمود... .
با این حال، در عرض چند دهه، بینش آدمی نسبت به طبیعت تغییری فاحش پیدا کرد. دانشمندان، منجمله گالیله به عنوان نخستین کس، با غور هر چه بیشتر در جزئیات جریانهای طبیعی دریافته بودند که هر جریانی از طبیعت را می توان از مجموعه اموری که در پیرامونش می گذشتند جدا نمود تا با زبان ریاضی به توصیف و توجیهش پرداخت. در عین حال آشکار شده بود که پرداختن به این علم جدید تا چه حد عظیمی همت طلب می کرد. بدینسان، نیوتن دیگر به دنیا آنچنان نمی نگریست که گویی فقط در کلیتش به عنوان مصنوع و ساخته دست خدا فهم از آن توان حاصل کرد، و نظرش نسبت به طبیعت در بیان شهودی که از او به جای مانده نیک خلاصه شده است: « من نمی دانم به نظر دنیا چگونه می آیم، ولی به نظر خودم چنین می آیم که گویی فقط پسرکی هستم مشغول به بازی در ساحل دریا، که با یافتن قلوه سنگی صافتر و صدفی زیباتر از معمولی خویشتن را سرگرم و شاد می سازم، در حالی که اقیانوس عظیم حقیقت که رازش آشکار نیست در برابرم قرار دارد.»
این تغییر در بینش دانشمند نسبت به طبیعت شاید بهتر فهمیده شود چنانچه بدانیم، در فکر مسیحی آن زمان، خدا چنین به نظر می آمد که جایگاهش در عرش بر بن باشد، در فاصله ای بسیار دور بر فراز زمین، از همین رو نگریستن به زمین بی اشاره کردن به خدا به صورت امری درآمده بود که هوادار زیاد داشت... دانشمند نسبت به این گرایش همسویی نشان می داد وقتی وی طبیعت را نه تنها مستقل از خدا بلکه حتی مستقل از بشر می پنداشت و بر آن بود توضیح و توجیهی «ابژکتیو» برایش پیدا کند. با این حال باید این را هم تأکید کنیم که حتی برای نیوتن نیز صدف فقط از این رو مهم بود چون از اقیانوس عظیم حقیقت ناشی شده بود. مشاهده آن هنوز قصدی اندر خود و هدفی فی نفسه نبود، بلکه در رابطه اش با اقیانوس بود که اهمیت داشت.
با گذشت سالها روشهای مکانیک نیوتنی به طور موفقیت آمیزی در زمینه های گسترده تری از طبیعت به کار گرفته شدند. کوششهایی به عمل آمد تا جزئیات جریانهای طبیعی از طریق آزمایشات کشف شوند، به گونه ای ابژکتیو مورد مشاهده قرار گرفته و از قوانین حاکم بر آنها فهمی درست حاصل آید. دانشمندان تلاش می کردند رابطه ها را بر مبنای ریاضی بیان کنند، و به آن «قوانینی» بر سند که بی هیچ قید و شرطی بر همه عالم مسلط اند. از این طریق سرانجام موفق شدند نیروهای طبیعت را به نفع مقاصد آدمی مهار کنند. پیشرفت خیره کننده علم مکانیک در قرن هجدهم، اُپتیک، ترمودینامیک، و تکنولوژی حرارتی در آغاز قرن نوزدهم همگی گویای اینچنین پی- جویی هستند.

تغییرات در مفهوم کلمه «طبیعت»

این علم در روند موفقیت آمیزش از محدوده تجربه روزمره دورتر رفته به خطه های دور دست طبیعت تعمیم پیدا کرد، و این کار تنها به یمن تکنیک هایی که در جریان تکامل خود علم به وجود آمده بودند میسر می بود. حتی در مورد نیوتن، گام اساسی موقعی برداشته شد که او تشخیص داد قوانین مکانیک که بر سقوط یک سنگ حاکم هستند تعیین کننده حرکت ماه به دور زمین نیز می باشند؛ به عبارت دیگر، این قوانین را در سرتاسر کیهان نیز می توان معتبر دانست. در دوره ای که بعد از آن آمد، علم پیشروی پیروزمندانه اش را حتی به خطه های دوردستری، که فقط به یاری تکنولوژی میسر می شد، یعنی، با کمک ابزار کم و بیش پیچیده، ادامه داد. علم نجوم، با استفاده از تلسکوپهای بهتر حتی فضای کیهانی فراختری را تسخیر نمود. از رفتار ماده در خلال تغییرات شیمیایی، علم شیمی می کوشید به شناخت جریانها در مقیاس اتمی نایل آید. آزمایشات با دستگاه تولید برق و مغناطیس و باطری وُلتائیک نخستین شناخت عادی از پدیده های الکتریکی را که تا آن موقع فهمیده نمی شدند به دست داد. بدینسان، تغییر آهسته ای در مفهوم «طبیعت به عنوان موضوع تحقیق توسط علم به وجود آمد. مفهوم جدیدی که طبیعت کسب نموده بود همانا تصوری دسته جمعی بود از برای کل حوزه های آزمایشی که از طریق علم و تکنولوژی، انسان می توانست به درونشان رخنه کند، قطع نظر از اینکه آدمی را در برداشت آنی و بی واسطه اش به صورت «طبیعت» جلوه نمایند یا نه. حتی اصطلاح «توصیف طبیعت» معنای اصلی خود را که همانا شرح قابل فهم طبیعت زنده بود هر چه بیشتر و بیشتر از دست داد.
این تعمیم نیمه هشیارانه ایده طبیعت را نباید به صورت انحرافی اساسی از اهداف علم در نظر گرفت، زیرا، حتی در این حوزه وسیعتر، ایده های مهم همانهایی بودند که در تجربه عادی پیش می آیند. طبیعت، در قرن نوزدهم، هنوز به صورت مجموعه ای از قوانین در مکان و زمان به نظر می آمد که در آن انسان و مداخله انسان را در طبیعت از لحاظ اصولی می شد نادیده گرفت، هر چند نه در عمل.
ماده از لحاظ جِرمی که داشت در نظر گرفته می شد، جِرمی که به رغم تغییرات مختلف، مقدارش ثابت باقی می ماند و برای اینکه به حرکتش داد لازم می آمد که نیروهایی بر آن وارد آید. زیرا، از قرن هجدهم به این طرف، آزمایشهای شیمیایی را می شد از طریق هیپوتزهای اتمی روزگاران پیشین رده بندی نموده و توضیح داد و به نظر معقولانه می رسید که نگرش فلسفه باستان را که در آن اتمها جوهرهای واقعی و سنگهای سازنده ماده محسوب می شدند درست تلقی کرد. در فلسفه دِموکریتوس Democritus ، تفاوتها در کیفیتهای مادی امری بود که صرفاً جنبه ای ظاهری داشت؛ بو و یا رنگ، گرما و یا غلظت و فشردگی مایع، کیفیتهای واقعی ماده محسوب نمی شدند بلکه از تأثیر متقابل ماده و حواس ما حاصل می گشتند، و لازم می آمد که این امر را بر حسب ترتیبات و حرکتهای اتمها توجیه نمود، و اینکه این ترتیبات چه اثری بر اذهان مان می گذارند. همین نوع طرز تلقی بود که به ماتریالیسم قرن نوزدهم منجر شد، نوعی جهان- بینی بر اساس ساده اندیشی زیاده از حد: اتمها به صورت جوهرهای راستین، و تغییرناپذیر، در زمان و در فضا در حرکت بوده و نحوه آرامش و حرکتشان موجب پیدایش پدیده های رنگارنگ دنیای حاسه های مان می گردند.

بحران تصور ماتریالیستی

نخستین یورش سریع، ولی هنوز نه چندان بس خطرناک، به این جهان بینی در نیمه دوم قرن نوزدهم صورت گرفت، هنگامی که تئوری الکتریسته تکامل یافت، که در آن ماده نه، بلکه میدانهای نیرو توجیه واقعی شمرده می شد... .
ولی در قرن ما درست در همین زمینه که بن- پایه های فیزیکی اتمی است تغییرات اساسی صورت پذیرفته است به طوری که ما را بر آن داشته که جهان بینی فلسفه اتمی پارینه را کنار بگذاریم. روشن شده است که شناخت مان از واقعیت ابژکتیو ذرات ابتدایی، بسیار ساده اندیشانه بوده است و جوابگوی این مسئله نیست که واقعاً چه رخ می دهد، و اینکه می باید به برداشتهای تجریدی بیشتر جای بسپارد. چه اگر بخواهیم تصویری از طبیعت این ذرات ابتدایی به دست آوریم، ما دیگر نباید روندهای فیزیکی یعنی همان پروسه هایی را که به یاریشان از این ذرات شناخت حاصل می کنیم نادیده انگاریم. در بررسی اشیاء عادی و روزمره هر چند روند فیزیکی به کار گرفته شده در امر مشاهده فقط نقشی فرعی ایفاء می کند، ولی همین روند یا پروسه مشاهده وقتی در مورد کوچکترین ذرات سازنده ماده به کار برده می شود اختلال عظیمی را به بار می آورد. در اینجا ما دیگر نمی توانیم از رفتار ذره صحبت آنچنان کنیم که گویی از روند مشاهده مستقل می باشد. نتیجه فرجامین این امر همانا این است که قوانین طبیعی که به صورت ریاضی ارائه شده اند در تئوری کوانتوم، دیگر، با خودِ ذرات اولیه سروکار ندارند بلکه به شناختی که ما از آنها داریم. همچنین دیگر نمی شود سؤال کنیم آیا این ذرات به طور ابژکتیو در مکان و زمان وجود می دارند و یا نه، زیرا تنها پروسه هایی که می توان به رخدادشان اشاره نمود همانا آنهایی می باشند که از رابطه متقابل ذرات با سیستم فیزیکی نوع دیگری، مثلا، دستگاه اندازه گیری خبر می دهند.
بدینسان، واقعیت ابژکتیو ذرات ابتدایی به نحوی عجیب و یا بی سابقه تارانده شد و جایش را امر ریاضی روشنی می گیرد که دیگر به توجیه رفتار ذرات ابتدایی آنهم به صورت مبهم و نیمه روشن نمی پردازد، بلکه فقط شناختی را که ما از این رفتار داریم توصیف می کند. فیزیکدان اتمی ناگزیر می بوده که خود را تسلیم این حقیقت سازد که علم وی فقط حلقه ای است در زنجیره استدلال ورزی انسان با طبیعت، و اینکه این علم از طبیعت «فی نفسه» صِرف صحبت نمی تواند بکند. برای اینکه علم وجود داشته باشد وجود خود انسان نیز ضروری است، و به قول بورBohr ، ما باید بر این حقیقت واقف باشیم که تنها مشاهده گران صرف نمی باشیم بلکه همچنین بازیگرانی هستیم که در صحنه حیات به ایفای نقش مشغولیم.
برخی از جالبترین تأثیرات عمومی فیزیک اتمی مدرن همانا تغییراتی هستند که این علم در تصور ما از قوانین طبیعی به وجود آورده است. در این چند سال اخیر بسیاری گفته اند که فیزیک اتمی نوین قانون علت و معلول را منهدم ساخته است، و یا اینکه لااقل نشان داده که آخرین کار آئیش را لااقل تا حدی از دست داده است، و یا اینکه ما دیگر نمی توانیم به درستی از پروسه و یا روندهایی سخن بگوییم که آنها را قوانین طبیعی تعیین نموده اند... . دترمینیسم یا حتمیت علمی هنوز تا قبل از اکتشاف معروف ماکس پلانک M. Planck که به تئوری کوانتوم منجر شد از اعتباری برخوردار بود. پلانک، در تحقیقش بر تئوری تشعشع، از همان ابتدا در پدیده تشعشعی با عنصری از نا- یقینی مواجه شده بود. پلانک بر پایه تحقیقاتش نشان داده بود اتمی که تشعشع ساطع می کند انرژی خود را به صورت نامنقطع خارج نمی سازد، بلکه به صورت منقطع و در بسته های فشرده. این وضع منقطع و نبض- گونه انتقال انرژی، مثل هر برداشت دیگری از تئوری اتمی، یکبار دیگر ما را به این ایده سوق می دهد که ساطع شدن تشعشع پدیده ای است از نوع استاتیستیک و یا آماری. با این حال، می باید دو دهه و نیم صبر می کردیم تا روشن شود در تئوری کوانتوم در واقع چاره ای نداریم مگر اینکه این قوانین را به صورت آماری ارائه دهیم، و لذا از دترمینیسم از بیخ و بن چشم بپوشیم. از زمانی که آنشتاین، بور، و زُمرفِلدSommerfeld تحقیقاتشان را انجام داده بودند به این طرف، تئوری پلانک ثابت نموده است می تواند کلیدِ گشاینده دری باشد که از آن بتوان به تمامی حیطه فیزیک اتمی راه یافت. جریانهای شیمیایی را می شد به یاری طرحِ اتمی راترفوردRutherford ، و بورBohr توضیح داد، و از آن پس علم شیمی، فیزیک، و فیزیک کیهانی با هم یگانگی حاصل نموده اند. با ارائه شدن فرمولهای ریاضی قوانین تئوریک کوانتومی، دیگر جایی برای دترمینیسم یا حتمیت علمی باقی نمی ماند و بنابراین لازم بود که کنار نهاده می شد.
چون در این جا جایز نمی بینم از روشهای ریاضی بحث کنم، میل دارم به جنبه هایی از یک وضع عجیب که یک فیزیکدان در تحقیقات فیزیک اتمی با آن روبرو است اشاره کنم.
می توانیم جدایی از فرمولهای پیشین را با توسل به آنچه رابطه های عدم -قطعیت Unbestimmheit نام گرفته اند بیان کنیم. به این پی برده شده بود که امکان نداشت به گونه ای همزمان، هم جایگاه و هم سرعت یک ذره اتمی را، با دقت کافی اندازه گرفت. یا فقط جایگاه را می توان به دقت سنجید- آنگاه که کار دستگاهی که در مشاهده از آن استفاده شده شناخت مان از سرعت را دچار ابهام می سازد- و یا می توان تنها اندازه گیریهایی به عمل آورد که در آن صورت باید از دانستن جایگاه آن ذره چشم پوشید. محصول این دو نایقینی یا عدم- قطعیت هرگز نمی تواند از ثابتِ(h) پلانک کمتر باشد. این فرمول کاملاً روشن می سازد که ما نمی توانیم با ایده های مربوط به مکانیک نیوتنی راه به جایی ببریم، زیرا در محاسبه یک پروسه مکانیکی، آنهم در لحظه ای مخصوص، لازم است هم از جایگاه و هم از سرعت آگاهی داشته باشیم، و این دقیقاً همان چیزی است که تئوری کوآنتوم آن را غیر ممکن می داند... .
حتی به اینکه به بررسی مکانیکی تئوری کوآنتوم بپردازیم، همین بیانات مختصر می توانند ما را در فهم این امر کمک کنند که شناخت ناکامل از یک سیستم می باید بخشِ اساسی از هر ارائه فرمولی در تئوری کوانتیک باشد. قوانین تئوریک کوآنتوم باید از نوع استاتیستیکی(یا آماری) باشند. برای مثال: می دانیم که اتمِ رادیوم، اشعه- آلفا بیرون می دهد. تئوری کوآنتوم می تواند نشانه ای در اختیارمان نهد که بر مبنایش بتوان احتمال داد ذره- آلفا در چه واحد از زمان هسته اتم را ترک خواهد کرد، ولی نمی توان پیش بینی نمود در چه موقع دقیقی این خارج شدن انجام خواهد گرفت، چه اصولاً در این خصوص قطعیتی در کار نیست. ما حتی نمی توانیم چنین بپنداریم که قوانین جدیدی بعداً پیدا خواهند شد که به ما امکان خواهند داد این لحظه دقیق در زمان را تعیین نماییم؛ این امر چنانچه امکان می داشت، در آن صورت دیگر لازم نمی بود ذره- آلفا را چنان تلقی کنیم که گویی رفتارش همچو موجی است که از هسته اتم خارج می گردد، و این واقعیتی است که با آزمایش می شود آن را ثابت کرد. آزمایشات مختلفی که هم سرشت موج گونه و هم سرشت ذره ای ماده اتمی را ثابت می کنند تعارضی را موجب می گردند که مجبورشان می سازد فرمولی را ارائه دهیم که بر شالوده قوانین آماری است.

پی نوشت ها :

منبع: فرانکلین، لوفان باومر؛ (1389)، جریان های اصلی اندیشه غربی جلد دوم، کامبیز گوتن، تهران، انتشارات حکمت، چاپ دوم، 1389.