فلسفه فیزیک

بسیاری در جامعه‌ی علمی معتقدند که سفر زمانی به شدت نامحتمل است زیرا علیت، منطق زنجیره‌ی علت-معلول، را نقض می‌کند. اگر تلاش کنید به گذشته بروید و خود (یا پدربزرگتان) را بکشید چه روی می‌دهد؟
در میان شاخه‌های فلسفه، فلسفه‌ی فیزیک پرسش‌های فلسفی بنیادی را که در بنیان فیزیک جدید قرار دارند مطالعه می‌کند و به پژوهش درباره‌ی ماده و انرژی و این که چگونه با هم اندرکنش انجام می‌دهند، می‌پردازد. فلسفه‌ی فیزیک با تأمل درباره‌ی علیت، تعین (جبر) و ماهیت قانون فیزیکی آغاز می‌شود. سپس به سراغ مباحثی می‌رود که با موضوعات مهم در فیزیک معاصر مطرح شده‌اند: کیهان‌شناسی فیزیکی (فضا، زمان، مبدأ و سرنوشت نهایی عالم)، مبانی ترمودینامیک و مکانیک آماری (انرژی، کار، کاتورگی، اطلاعات) و مکانیک کوانتومی (تفسیرهای رقیب از آن، نتایج ضدشهودی آن).
قرن‌ها قبل، مطالعه‌ی علیت و ماهیت بنیادی فضا، زمان، ماده، و عالم بخشی از متافیزیک بود. امروزه، فلسفه‌ی فیزیک اساساً بخشی از فلسفه‌ی علم است.

فلسفه‌ی فضا و زمان

زمان
در بسیاری از فلسفه‌ها زمان را به مثابه‌ی تغییر تلقی می‌کنند.
زمان کمیتی است بنیادی (یعنی، کمیتی که نمی‌توان بر اساس کمیتی دیگر تعریف کرد، زیرا در حال حاضر ما چیزی را بنیادی‌تر از زمان نمی‌شناسیم). بنابراین زمان از طریق اندازه‌گیری تعریف می‌شود- با فاصله‌ی زمانی استانده‌ی آن. در حال حاضر، مدت 9.192.631.770 نوسان گذار فوق ظریف اتم سزیم 133 به مثابه‌ی فاصله‌ی زمانی استانده (موسوم به «ثانیه‌ی قراردادی» یا فقط «ثانیه») تعریف می‌شود (ایزو 1-31). این که زمان دقیقاً «چیست» و چگونه عمل می‌کند از تعریف فوق حاصل می‌شود. در کنار تعریف فعلی از فضا (بر اساس طول) این تعریف از زمان موجب می‌شود که نسبیت خاص دقیقاً درست باشد. فیزیکدانان از نظریه برای پیش‌بینی طرز اندازه‌گیری زمان استفاده می‌کنند. سپس می‌توان زمان را به طور ریاضی با کمیت‌های بنیادی فضا و جرم ترکیب کرد تا مفاهیمی مانند سرعت، گشتاور، انرژی و میدان را به دست آورد.
هم نیوتن و هم گالیله مانند اغلب افراد تا قرن بیستم تصور می‌کردند که زمان برای همه در همه جا یکسان است. برداشت جدید ما از زمان بر نظریه‌ی نسبیت اینشتاین و جا-گاه هرمان مینکووسکی استوار است که در آن آهنگ زمان در مکان‌های مختلف متفاوت است و فضا و زمان در جا-گاه در هم می‌آمیزند. زمان ممکن است کوانتیده باشد و کوچک‌ترین زمان نظری ممکن، زمان پلانک است. نظریه‌ی نسبیت عام اینشتاین و جابجایی قرمز نور کهکشان‌های دوردستی که در حال دور شدن از ما هستند، نشان می‌دهد که کل عالم و احتمالاً خود جا-گاه در حدود 13.7 میلیارد سال قبل در مهبانگ آغاز شده است. آیا عالم به پایان می‌رسد و چگونه؟، پرسش‌هایی است که هنوز به آن‌ها جواب قطعی داده نشده است.

سفر زمانی

برخی از نظریه‌ها، و شایان ذکرتر از همه نسبیت خاص و عام، می‌گویند که هندسه‌های مناسب جا-گاه یا انواع معینی از حرکت در فضا، ممکن است سفر زمانی به گذشته و آینده را ممکن سازند. مفاهیمی که چنین برداشتی را تقویت می‌کنند شامل منحنی زمان‌وار بسته می‌شوند.
نظریه‌ی نسبیت خاص (و، با تعمیم معنی، نسبیت عامِ) اینشتاین، انبساط زمانی‌ای را پیش‌بینی می‌کند که می‌توان آن را سفر زمانی تلقی کرد. نظریه می‌گوید که نسبت به ناظر ثابت، زمان ظاهراً کندتر حرکت می‌کند؛ با نزدیک شدن ساعت به سرعت نور، به نظر می‌رسد که حرکت عقربه‌های آن تقریباً متوقف می‌شود. اثرات این نوع انبساط زمانی در پارادکس مشهور دوقلوها بیشتر مورد بحث قرار گرفته است.
نوع دوم و مشابه سفر زمانی را نسبیت عام ممکن می‌سازد. در این نوع، ناظر دور می‌بیند که زمان ساعتی که در انتهای چاه گرانشی عمیقی قرار گرفته کندتر می‌گذرد و ساعتی که در چاه زمینی عمیقی فرو برده و بالا آورده می‌شود نشان می‌دهد که در مقایسه با ساعت ثابتی که همراه ناظر دور بوده، زمان کم‌تری گذشته است.
این اثرات تا حدی شبیه خواب زمستانی موجودات زنده است (که سرعت فرآیندهای شیمیایی را در موجود پایین می‌آورد) که تقریباً به طرزی نامعین حیات خود را به حال تعلیق در می‌آورند و به این ترتیب به «سفر زمانی» به آینده می‌روند اما هرگز به سفری به گذشته نمی‌روند. آن‌ها علیت را نقض نمی‌کنند. این از نوع سفر زمانی که در داستان‌های علمی بیان می‌شود نیست (که در آن علیت به طور ارادی نقض می‌شود)، و در مورد وجود آن هم چندان تردیدی نیست. از این پس در این مقاله مراد از «سفر زمانی» سفری است به گذشته یا آینده در زمان واقعی، با درجه‌ای از آزادی.
بسیاری در جامعه‌ی علمی معتقدند که سفر زمانی به شدت نامحتمل است زیرا علیت، منطق زنجیره‌ی علت-معلول، را نقض می‌کند. اگر تلاش کنید به گذشته بروید و خود (یا پدربزرگتان) را بکشید چه روی می‌دهد (که در مورد قتل پدربزرگ به پارادکس پدربزرگ منتهی می‌شود)؟ شواهد تجربی در مورد سفر زمانی هم وجود ندارد. زمانی استفن هاوکینگ گفت عدم حضور «جهانگردانی» از آینده برهانی است قوی بر علیه امکان سفر زمانی- که روایتی از پاراداکس فرمی (Fermi Paradox) است که در آن مسافران زمان جای مسافران سیارات بیگانه را گرفته‌اند.

فضا

جا-گاه، بر اساس نسبیت عام، به وسیله‌ی جرم خمیده می‌شود که موجب انبساط زمان می‌گردد.
فضا یکی از چند کمیت بنیادی در فیزیک است یعنی آن را نمی‌توان از طریق کمیت‌های دیگر تعریف کرد زیرا در حال حاضر چیزی که بنیادی‌تر از آن باشد شناخته نشده است. به این ترتیب، مشابه کمیت‌های بنیادی دیگر (نظیر زمان و جرم) فضا نیز از طریق اندازه‌گیری تعریف می‌شود. در حال حاضر، فاصله‌ای که نور طی فاصله‌ی زمانی 299792458/1 ثانیه (دقیقاً) در خلاٌ طی می‌کند به عنوان فاصله‌ی استانده‌ی فضایی موسوم به متر استانده یا فقط متر تعریف می‌شود. این تعریف همراه با تعریف فعلی از زمان (بالا را ببینید) جا-گاه ما را به فضای مینکووسکی (Minkowski) تغییر می‌دهد و موجب می‌گردد که نظریه‌ی نسبیت خاص طبق تعریف مطلقاً درست باشد.
در فیزیک کلاسیک، فضا، فضای اقلیدسی سه بعدی است که در آن هر وضعیتی را می‌توان با استفاده از سه مختصه توصیف کرد. نظریه‌های نسبیت خاص و عام به جای فضا از جا-گاه استفاده می‌کنند؛ جا-گاه چونان فضایی چهار بعدی مدل‌سازی می‌شود (که در آن محور زمان در نسبیت خاص موهومی و در نسبیت عام حقیقی است؛ در حال حاضر نظریه‌های بسیاری وجود دارد که از فضاهای بیش از چهار بعدی، اعم از حقیقی و مختلط، استفاده می‌کنند).
قبل از کار اینشتاین روی فیزیک نسبیتی، زمان و فضا را ابعاد مستقلی می‌دانستند. کار اینشتاین نشان داده است که به دلیل نسبیت حرکت، فضا و زمان را می‌توان به طور ریاضی در جا-گاه متقارنی ترکیب کرد که در آن محور زمان (ضرب در ic) از محورهای فضا قابل تشخیص است (1) . فواصل در فضا یا در زمان به طور جدا از هم در برابر تبدیل مختصات لورنتز ناوردا (invariant) نیستند، اما فواصل در جا-گاه مینکووسکی ناوردا هستند. (امری که نام جا-گاه را توجیه می‌کند).

فلسفه‌ی مکانیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی موجب بحث‌های زیادی در تفسیرهای فیزیکی شده است. با توسعه‌ی مکانیک کوانتومی، نظریه‌های آن به تدریج در تناقض با بسیاری از فلسفه‌های پذیرفته شده قرار گرفتند. اما، تمام پیش‌بینی‌های ریاضی آن با مشاهدات انطباق دارد.
در اغلب موارد، فلسفه‌های پذیرفته شده بر تجربه‌ی روزمره‌ی انسان معمولی مبتنی هستند- که بسیار محدود است، زیرا شامل مشاهده‌ی سیستم‌های بسیار کوچک یا حرکت در سرعت‌های بسیار زیاد، یا آزمایش با انرژی‌های بالا، گرانش قوی و مانند آن‌ها نمی‌شود. هنگامی که نوبت به توصیف یا تبیین رفتار بسیاری از سیستم‌ها و اشیاء در طبیعت می‌رسد نمی‌توان بر «نظریه» های مبتنی بر عقل سلیم، «شهودها» یا «احساس‌ها» متکی بود.

تعین

قرن هجدهم شاهد پیشرفت‌های زیادی در عرصه‌ی علم بود. پس از نیوتن، اغلب دانشمندان با این پیش‌فرض موافق بودند که عالم تحت حاکمیت قوانین محکم (طبیعی) قرار دارد که می‌توان آن‌ها را با مشاهده و تجربه‌ی علمی کشف و صورت‌بندی کرد. این موضع را تعین (یا جبر) می‌نامند. هر چند تعین پیش‌فرض بنیادی فیزیک پسانیوتنی بود، اما سریعاً فیلسوفان را با مسئله‌ای دشوار روبرو ساخت: اگر عالم و بنابراین کل جهان تحت حاکمیت قوانین محکم و جهان‌شمول قرار دارد، معنای این امر آن است که آدمیان نیز در اعمال خود تحت حاکمیت قوانین طبیعی قرار دارند. به عبارت دیگر، معنای این امر آن است که چیزی به نام اختیار انسانی وجود ندارد (به استثنای آن چه در همسازگرایی) compatibilism تعریف می‌شود. برعکس، اگر پذیرفته شود که انسان‌ها دارای اختیار (اختیارگرایانه یا ناهمسازگرایانه) هستند، باید بپذیریم که جهان یکسره تحت حاکمیت قوانین طبیعی نیست. برخی ادعا کرده‌اند که اگر جهان یکسره تحت حاکمیت قوانین طبیعی نباشد، کار علم ناممکن می‌شود. اما ظهور مکانیک کوانتومی بدیلی دیگر برای امکان‌های اکیداً محدودی که در بالا به آن‌ها اشاره شد در اختیار متفکران قرار داد. باور به عالمی ممکن شد که قوانین جهانشمول را دنبال می‌کرد اما هرگز آینده‌ای از پیش تعیین‌شده نداشت.

اصل نایقینی

اصل نایقینی را معمولاً با سناریوی گربه‌ی شرودینگر بیان می‌کنند که در آن گربه‌ای همراه با مخزن گاز سمی [و ماده‌ای رادیواکتیو] در جعبه‌ای قرار گرفته است؛ با واپاشی هر اتم رادیواکتیو مخزن گاز باز می‌شود. تا زمان باز شدن جعبه نمی‌توان حالت اتم رادیواکتیو را مشاهده کرد؛ بر اساس یکی از تفسیرهای مختلف در آن زمان گربه هم مرده است و هم زنده.
اصل نایقینی اصلی ریاضی است که از تعریف کوانتوم مکانیکی (quantum mechanical) عملگرهای گشتاور و وضعیت (یعنی عدم جابجاپذیری میان آن‌ها) حاصل می‌شود و رفتار عالم را در مقیاس‌های اتمی و زیراتمی تبیین می‌کند.
اصل نایقینی در پاسخ به این پرسش مطرح شد: اگر الکترون موج است، موقعیت الکترون حول هسته چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ هنگامی که مکانیک کوانتومی توسعه یافت، آن را رابطه‌ای میان توصیفات کلاسیکی و کوانتومی سیستم با استفاده از مکانیک موجی می‌دانستند.
در مارس 1926 ورنر هایزنبرگ که در انستیتوی نیلز بوهر کار می‌کرد اصل نایقینی را صورت‌بندی کرد و به این ترتیب آن چه را که به نام تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی شناخته شد، بنیان گذاشت. هایزنبرگ مقالات پل (Paul Dirac) دیراک و جردن (Jordan) را مطالعه می‌کرد. هایزنبرگ مسئله‌ای را در اندازه‌گیری متغیرهای بنیادی در معادلات کشف کرد. تحلیل او نشان داد که اگر کسی تلاش کند هم زمان وضعیت و گشتاور ذره‌ای را اندازه‌گیری کند همیشه نایقینی‌ها یا عدم دقت‌هایی وجود دارد. هایزنبرگ نتیجه گرفت که این نایقینی‌ها یا عدم دقت‌ها در اندازه‌گیری از جانب آزمایشگر نیست، بلکه خصلتی بنیادی دارد و ذاتیِ ویژگی‌های ریاضی عملگرها در مکانیک کوانتومی است که از تعریف این عملگرها ناشی می‌شود.
اغلب منتقدانی که به سرنوشت و تعین معتقد بودند و ویژگی‌های رایج نظریه‌های بوهر-هایزنبرگ را یک تهدید تلقی می‌کردند اغلب از عبارت تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی به جای و به مثابه‌ی مترادفی برای اصل نایقینی هایزنبرگ استفاده می‌کردند. در درون تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی که به طور وسیع اما نه عموماً پذیرفته شده (یعنی اینشتاین یا فیزیکدانان دیگری مانند آلفرد لانده) Alfred Lande آن را نپذیرفتند، اصل نایقینی را به معنای آن می‌گیرند که در سطحی بنیادی، جهان فیزیکی نه به شکلی تعین‌گرایانه بلکه به صورت مجموعه‌ای از احتمالات وجود دارد؛ یا مثلاً الگوی توزیع احتمال را که به وسیله‌ی میلیون‌ها فوتون ایجاد می‌شود که از میان شکاف پراش (Diffraction slit) می‌گذرند می‌توان با استفاده از مکانیک کوانتومی محاسبه کرد، اما مسیر دقیق هر فوتون را با هیچ روش شناخته شده‌ای نمی‌توان پیش‌بینی کرد. تفسیر کپنهاگی بر آن است که چنین مسیری را با هیچ روشی، حتی با اندازه‌گیری‌هایی که از لحاظ نظری بی‌نهایت دقیق هستند، نمی‌توان پیش‌بینی کرد.
اگر کسی بیشتر به سوی تفسیر مستقیم برود که بر اساس آن فیزیک کلاسیکی و زبان عادی فقط تقریب‌هایی به واقعیت کاملاً کوانتومی هستند، آن گاه به این تقریب‌ها احتمال‌هایی نسبت داده می‌شود و دیگر بنیادی نیستند. معادلات مکانیک کوانتومی، خود، حالت کوانتومی هر سیستم منزوی را به طور یگانه مشخص می‌سازند.

مکملیت

اندیشه‌ی مکملیت (complementarity) در مکانیک کوانتومی از اهمیت اساسی برخوردار است. مکملیت حاکی از آن است که نور می‌تواند هم ذره‌ای و هم موجی باشد. هنگامی که آزمایش دو شکاف انجام شد، نور در مواردی به مثابه‌ی موج و در برخی موارد مثل ذره عمل می‌کرد. فیزیکدانان نظریه‌ی قانع‌کننده‌ای برای توضیح این امر نداشتند تا نیلز بوهر و مکملیت از راه رسیدند. مکانیک کوانتومی اجازه می‌دهد تا چیزهایی که از نظر شهودی کاملاً متضاد یکدیگر هستند بدون مشکل [با هم] وجود داشته باشند.

نظر اینشتاین درباره‌ی اهمیت فلسفه‌ی فیزیک

اینشتاین به نتایج فلسفی کار خود بسیار علاقمند بود؛ دو نقل قول زیر برخی از دلایل این احساس وی را روشن می‌سازند.
«من درباره‌ی اهمیت و ارزش آموزشی روش‌شناسی و تاریخ و فلسفه‌ی علم کاملاً موافقم. امروزه افراد زیادی- و حتی بسیاری از دانشمندان متخصص- به نظر من مانند کسانی هستند که هزاران درخت را دیده‌اند اما هرگز جنگل را ندیده‌اند. آگاهی از زمینه‌ی تاریخی و فلسفی، به دانشمند آن نوع استقلال از پیشداوری‌های نسلی را می‌دهد که اغلب دانشمندان به آن دچارند. این استقلال رأی که با بصیرت فلسفی ایجاد می‌شود- از نظر من- نشانه‌ی تمایز میان صنعتگر یا متخصص صرف و جوینده‌ی راستین حقیقت است» نامه‌ی اینشتاین به رابرت ا. تورنتون Robert A. Thornton، 7 دسامبر 1944؛ EA 61-574.
«چگونه می‌شود که دانشمند مستعد علوم طبیعی خود را به معرفت‌شناسی مشغول می‌سازد؟ ایا کار ارزشمند دیگری در حوزه‌ی تخصص او وجود ندارد؟ من از بسیاری از همکاران خود می‌شنوم که می‌گویند چنین احساسی دارند و من این امر را در بسیاری دیگر احساس می‌کنم. من نمی‌توانم در چنین حسی سهیم باشم ... مفاهیمی که مفید بودنشان در مسائل عادی اثبات شده است چنان اقتداری بر ما پیدا می‌کنند که ما مبادی زمینی آن‌ها را فراموش می‌کنیم و آن‌ها را به مثابه‌ی مفروضاتی تغییرناپذیر می‌پذیریم. به این ترتیب، آن‌ها را» ضرورت‌های تفکر، «مفروضات پیشینی» و مانند آن‌ها می‌نامند.
چنین خطاهایی اغلب به مدتی طولانی مسیر پیشرفت علمی را مسدود کرده‌اند. به همین دلیل، اگر در تحلیل مفاهیمی که مدت‌ها معمول بوده‌اند و نمایش آن شرایطی که وجاهت و فایده‌مندی آن‌ها به آن شرایط بستگی دارد و این که هر یک از آن‌ها چگونه از مفروضات تجربی سر می‌زنند، تجربه پیدا کنیم این تلاش به هیچ روی کاری بیهوده نخواهد بود. با این کار، اقتدار بسیار جدی آن‌ها از میان خواهد رفت (اینشتاین، 1916، «اعلامیه‌ی یادبود ارنست ماخ»، Physikalische Zeitschrift 17: 101-02).

پی نوشت ها :

 

1. . در این ضریب، i ریشه‌ی دوم عدد منفی 1- و c سرعت نور ااست (م)
منابع تحقیق :
1.Roger Penrose, 2004. The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. London: Jonathan Cape.
دانشنامه آزاد ویکی پدیا
منبع: سایت باشگاه اندیشه
منبع:سایت تصور