مکتب فراگیر نیوتون در فیزیک

هنر تاریخ نویسی لازم است تا چیزی تازه و سودمند در باره‌ی شخص نیوتون گفته شود. نیوتون مرد پیچیده‌ای بود و در دوران پیچیده‌ای هم می‌زیست. در این‌جا نه از خود نیوتون بلکه از نیوتون گرایی سخن خواهیم گفت و از کار سترگ او که در طی بیش از سی‌صد سال گذشته راهنمای تکامل علمی بود که فیزیک‌دانان ما امروز به آن اشتغال دارند. هسته‌ی مرکزی کار بزرگ نیوتون، نظریه‌ی منظومه‌ی شمسیِ اوست. نظریه‌ای متشکل از سه بخش که هر کدام به نوبه‌ی خود تضمینی است بر جاودانگی او. اول، نظریه‌ی گرانش نیوتونی است که می‌گوید چگونه توزیع ماده در سرتاسر جهان، تعیین کننده‌ی نیروی گرانشِ وارد بر هر ذره است، چه آن ذره روی زمین باشد و چه بر روی خورشید، ماه، و یا یکی از ستارگان. دوم، قانون حرکت است که می‌گوید به چه ترتیب می‌توان با در دست داشتن نیروهای وارد بر یک ذره، چگونگی حرکت آن را محاسبه کرد. سوم، روش محاسبه‌ای است که امروز در علم ریاضیات، کَلکولس یا حساب دیفرانسیل و انتگرال نامیده می‌شود (به نظر می‌رسد نیوتون خود چندان گرایشی به حساب دیفرانسیل و انتگرال نداشت و اغلبِ محاسبات خود را در قالب روش‌های هندسیِ پذیرفته شده در طول تاریخ ارائه می‌داد، اما به هر حال، کلکولس نقش ابزار محاسباتیِ نسل‌های آینده را پیدا کرد).
نخستین پرسشی که به ذهن یک فیزیک‌دان می‌رسد این است که نیوتون‌گرایی تا چه حد می‌تواند معتبر به شمار آید. و پس از گذراندن بیش از سی‌صد سال آزمون تجربی، از چه موقعیتی برخوردار است. باید گفت مکتب نیوتون هم‌چنان استوار و پابرجاست. اکنون می‌دانیم که در تصویری که نیوتون از گرانش و پویایی شناسی (دینامیکس) ارائه می‌داد تصحیح اندکی صورت گرفته است. جالب‌ترین و مهم‌ترینِ این تصحیحات توسط نظریه‌ی نسبیت عام اَینشتاین انجام گرفته است، اما همین هم بسیار اندک است. به عنوان نمونه، سهمِ تصحیحی این نظریه بر روی نظریه‌ی نیوتونی منظومه‌ی شمسی را به طور نسبی باید یک در میلیون به شمار آریم، سهمی آن‌چنان کوچک که هیچ‌گاه قابل تشخیص هم نبوده است. آثار نظریه‌ی نسبیت را فقط در مورد اجرامِ دارای سرعت زیاد، مانند سیاره‌ی عطارد (تیر) و یا خودِ نور می‌توان دریافت. به هر حال، تصحیحات انجام یافته، چه کم چه زیاد، چندان به موضوع مورد بحث در این مقاله مربوط نمی‌شود. در سال 1919 میلادی، هنگامی که نظریه‌ی اینشتاین در معرض آگاهی همگان قرار گرفت، روزنامه‌ی تایمز لندن ادعا کرد که اَینشتاین خط بطلان بر روی نظریه‌ی نیوتون کشیده است. این سخن حقیقت نداشت. نظریه‌ی اینشتاین در محدوده‌ی اجرامِ دارای سرعت کم و در فاصله‌ی زیاد از یک‌دیگر، که در واقع لایه‌های بیرونی منظومه‌ی شمسی و بخش اعظمِ جهان را در بر می‌گیرد، به نظریه‌ی نیوتونی تحویل می‌یابد.
در حقیقت باید گفت که نظریه‌ی اینشتاین نه تنها نظریه‌ی نیوتون را مخدوش نمی‌سازد بلکه خود، توضیحی است بر این نظریه، و این نکته‌ای است که غالباً نادیده گرفته می‌شود. در نظریه‌ی نیوتونی، قانون عکس مجذور فاصله، در حکم ابزاری است برای انجام محاسبات در ارتباط با مشاهدات انجام یافته بر روی منظومه‌ی شمسی، به ویژه در تفسیر کپلری از مشاهدات براهه در خصوص رابطه‌ی بین تناوب گردش و شعاع مدار گردش سیارات. برای نیوتون، تجربه نشان می‌داد که نیروی گرانش دارای نسبت عکس با مجذور فاصله است. او این نکته را به عنوان حقیقتی مسَلّم دریافته بود که نیروی گرانش با عکس d2 کاهش می‌یابد. اما نظریه‌ی وی هیچ توجیهی برای این عکس مجذور فاصله ارائه نمی‌داد. چرا عکس مجذور فاصله و نه نسبتی دیگر؟ این رابطه بالاخره طی سال‌های 1915 و 1916 میلادی توسط نظریه‌ی نسبیت عام اینشتاین توجیه شد. اگر نگرش اینشتاین را مبنی بر سرچشمه گرفتن نیروی گرانش از یک منحنی جای-گاهی پی بگیریم درخواهیم یافت که نیرو همان عکس مجذور فاصله است. چگونگی نیرو در فواصلِ بسیار اندک، پرسشی است پیچیده که بعداً بدان خواهیم پرداخت.
پس، نظریه‌ی نیوتون هم‌چنان معتبر است و امروزه در همراهی با نظریه‌ی نسبیت عام از عقلانیتی برخوردار است که در زمان خود نیوتون فاقد آن بود. ما در بررسی حرکت اجرام منظومه‌ی شمسی، از نظریه‌ی نیوتونی استفاده می‌کنیم، اجرامی که مُهر حضور خود را هم بر روی برخی از آن‌ها می‌زنیم. هیچ موردی نمی‌توانست بهتر از اصول به کار گرفنه شده در طراحی آپولو، ایمان ما نسبت به نظریه‌ی گرانش نیوتونی را آشکار سازد. به خاطر بیاورید که در مراحل آغازین، فضانوردان با سفینه‌هایی به فضا فرستاده می‌شدند که کره‌ی ماه را چندین بار دور می‌زد، اندک نیرویی از موتور راکتی می‌گرفت و سپس با سوختِ تمام شده، یعنی فقط با اتکا به اعتبار قوانین نیوتون، به زمین باز می‌گشت. سرگرد ویلیام آندرز در بازگشت از اولین سفر فضایی چرخش به دور کره‌ی ماه در دسامبر سال 1968 میلادی، نکته‌ی کاملاً به جایی را بیان داشت: «فکر می‌کنم اکنون این آیزاک نیوتون است که پیشاپیشِ همه، هدایتِ سفینه را بر عهده گرفته است.» بدین ترتیب، نظریه‌ی نیوتون، در مقام نظریه‌ای در ارتباط با منظومه‌ی شمسی، از دور خارج نشده است. اما در مقام مدلی برای نظریه‌ی عام فیزیکی چطور؟
ویژگی کیفی نظریه‌ی نیوتون که در قرن بیستم جدی‌ترین بحث و مناظره‌ها را برانگیخت جبری بودن آن است هر چند ممکن است خودِ نیوتون را نتوان به اندازه‌ی امثال لایب نیتس جبرگرا دانست. به تصویری که مکتب نیوتون پیشِ رویمان قرار می‌دهد بنگرید: «در هر لحظه‌ی معین، هر ذره‌ای در جهان، تحت اثر نیرویی قرار دارد که تعیین کننده‌ی آن، موقعیت‌ها و جرم‌های تمامی ذرات دیگرند. با در دست داشتن این نیرو در آن لحظه، می‌توان شتاب حرکت ذره‌ی مورد نظر را محاسبه کرد و با در دست داشتن شتاب و سرعت در یک لحظه، می‌توان سرعت ذره را در لحظه‌ی بعدی به دست آورد. هم‌چنین با محاسبه‌ی سرعت ذره، می‌توان موقعیتی را که در لحظه‌ی بعد خواهد داشت تعیین کرد. بنابراین، منظومه‌ی شمسی، و در حقیقت تمام عالم با گردشی یک‌نواخت پیش می‌رود و در این طی مسیر، آرایش هر لحظه، تعیین کننده‌ی آرایش عالم در لحظه‌ی بعد خواهد بود. این، تصویری است از عالم که برای برخی آرامش بخش و برای برخی دیگر وحشت انگیز است.» در قرن بیستم، جبری بودنِ نظریه‌ی نیوتون، درگیر زورآزمایی ژرف با بزرگ‌ترین انقلاب در جهان فیزیک از زمان خودِ نیوتون تا امروز، شد، و آن ماجرای مکانیک کوانتومی در دهه‌ی 1920 میلادی است.
مکانیک کوانتومی دریچه‌ی نوی بود که به سوی طبیعت گشوده می‌شد و به ویژه مناسب با ذرات در اندازه‌های اتمی، زیر اتمی، هسته‌ای و ذرات بنیادی بود. مکانیک کوانتومی، ابزار درک فیزیک جهان ذرات خرد است. مکانیک کوانتومی، همان‌گونه که به گوش همگان خورده است، طبیعت را به زبان ذراتی توصیف نمی‌کند که موقعیت‌ها و سرعت‌های محدود و معین دارند و روی مسیرهای کاملاً مشخصی حرکت می‌کنند، بلکه توصیف آن لحنی مبهم دارد: لحن احتمالات. ما مجاز به پرسش از محل الکترون در لحظه‌ای معین در داخل اتم هیدروژن نیستیم. و اگر در پی یافتنِ پاسخِ چنین پرسشی باشیم آزمایش ما منجر به شکستن اتم خواهد شد و دیگر قادر به یافتن هیچ پاسخی نخواهیم بود. از آن جا که مکانیک کوانتومی به زبان احتمالات سخن می‌گوید در دهه‌های گذشته، اندیشه‌ای گسترش یافته و در کتاب‌های پر فروش آمده است مبنی بر این که مکانیک کوانتومی نگرشی ظریف‌تر و پر رمز و رازتر از نگرش بی‌انعطاف و جبرگرایانه و خشن نیوتونی است. در این گفته، نیوتون هم‌چون خسیسی کیهانی انگاشته شده است که هر گونه اختیاری را برای ذرات انکار می‌کند و در مقابلِ او، ارائه دهندگان مکانیک کوانتومی در دهه‌ی 1920، نونهالان ظریف و نرم سخنی شمرده شده‌اند که در کارِ بازگرداندنِ فیزیک به رمز و رازی جهانی‌اند.
حقیقت، همواره پیروزِ میدان به در می‌آید. در واقع، مکانیک کوانتومی دیدگاه کاملاً جبرگرایانه‌ای از جریان حالت‌های فیزیکی ارائه می‌دهد. در مکانیک کوانتومی، با دانستنِ یک حالت در لحظه‌ای معین، و البته همراه با آگاهی از ساختار سیستم، می‌توان با دقت تمام، حالت در لحظه‌ی بعدی را محاسبه کرد. غیر جبری بودن مکانیک کوانتومی هنگامی خود می‌نمایاند که انسان‌ها در پیِ اندازه‌گیری برآیند، چرا که در جریان اندازه‌ گیری، اجباراً آسیب‌هایی بر سیستم وارد می‌آوریم که غیر قابلِ پیش بینی‌اند، در حالی که سیستم بدون دخالتِ ما در مسیری کاملاً جبری جریان می‌یابد. از یک نظر می‌توان گفت نطفه‌ی مبارزه جویی جالب‌تر در برابر جبرگرایی نظریه‌ی نیوتون، پس از مکانیک کوانتومی، در دهه‌های اخیر و در درون خودِ مکانیک نیوتونی رشد کرد، و آن کشف اهمیت موضوعی بود به نام بی‌نظمی (chaos). بی‌نظمی به یک عبارت فنی تبدیل شده است که به پیش بینی ناپذیریِ عملی سیستم‌ها برمی‌گردد، سیستم‌هایی که غالباً هم بسیار ساده‌اند. البته این نکته همواره مد نظر بوده است که در صورتِ سر و کار داشتن با سیستم بسیار پیچیده‌ای متشکل از بخش‌های گوناگون، مانند بورس سهام، و یا شرایط جوی، به علت همین پیچیدگی فوق العاده، پیش بینی اتفاقات آینده غیر ممکن خواهد بود. آن‌چه در سال‌های اخیر قادر به درکش شده‌ایم این است که حتی سیستم‌های ساده نیز رفتاری حاکی از بی‌نظمیِ کامل نشان می‌دهند، زیرا کارکردِ آتی همین سیستم‌های ساده هم از نظر هدف‌های عملی غیر قابل پیش بینی است. در این مورد مثالی می‌زنیم. این مثال را از سه جرم آسمانی انتخاب می‌نماییم: یک ستاره‌ی دنباله دار، یک سیاره (مثلاً سیاره‌ی مشتری)، و خورشید. تصور کنید که این سه جرم آسمانی روی مدارهای خود در حرکتند و برای سادگی موضوع فرض کنید که همگی روی یک صفحه قرار دارند (که البته در مورد ستاره‌ی دنباله دار هالی این امر صادق نیست و نمی‌توان مدار آن را با خورشید و مشتری در یک صفحه فرض کرد). حال گردش این سه جرم را در نظر بگیرید. ستاره‌ی دنباله دار در مسیر خود از خورشید بسیار دور می‌شود و مجدداً روی مداری فوق العاده خارج از مرکز باز می‌گردد و به خورشید نزدیک می‌شود. مشتری هم روی مدار تقریباً دایره‌ای خود در حالِ چرخش به دور خورشید است. هر از گاهی این دو جرم آسمانی به هم نزدیک می‌شوند و در چنین زمان‌هایی ستاره‌ی دنباله دار در اثر میدان گرانشی مشتری دچار اختلال یا پریشیدگی می‌شود و دوباره در مسیری اندک تغییر یافته، از آن دور می‌شود. حال شکی نیست که اگر با دقت ریاضی مطلق، چگونگی حرکت ستاره‌ی دنباله دار را در لحظه‌ای معین در دست داشته باشیم (و اگر کامپیوتر بی‌نهایت توانمندی در اختیارمان باشد) قادر به پیش بینی حرکت ستاره‌ی دنباله دار در تمام لحظات آینده خواهیم بود. اما چرخ گردون همیشه بر وفق مراد نمی‌چرخد. درک این مسأله چندان مشکل به نظر نمی‌رسد که اگر چگونگی حرکت ستاره‌ی دنباله دار را مثلاً با دقتی در حدود یک دهم درصد، پیش از مواجهه‌ی نزدیکش با مشتری در دست داشته باشیم، از آن جا که رخ‌داد ممکن در این مواجهه‌ی نزدیک عموماً بستگی به زاویه‌ی مسیر آن ستاره با مدار سیاره‌ی مزبور داشته باشد، بنا بر این، چگونگیِ حرکتِ پس از مواجهه، نامعین‌تر خواهد شد. اجازه بدهید بگوییم که پیش بینی تنها تا یک درصد از دقتِ تعیین برخوردار خواهد بود و در مواجهه‌ی بعدی، عدم قطعیت در تشخیص مدار ستاره‌ی دنباله دار ده برابر بیش‌تر می‌شود و به همین ترتیب، میزان عدم قطعیت مزبور به‌طور تصاعدی افزایش خواهد یافت. روشن است که میزان دقت در اولین نوبت مشاهده‌ی ستاره‌ی دنباله دار تفاوتی ایجاد نمی‌کند، زیرا دقت مشاهده در بار اول، هر میزان که باشد، پس از یک‌صد مواجهه‌ی ستاره‌ی هالی با سیاره‌ی مشتری، چگونگی حرکت ستاره کلاً غیر قابل تشخیص خواهد شد، چرا که سیستم مشاهداتی ما چنان بستگی مبرمی به دقت داده‌های قبلی و دقت محاسباتمان دارد که با گذشت زمان دیگر هیچ‌ گونه دقت قابل دسترسی‌ای امکان پیش بینی رخ‌داد آینده را برایمان فراهم نخواهد ساخت. سیستم، بی‌نظم است و جبرگرایی، موقعیت خود را از دست داده است. این مثال نسبتاً روشن و شناخته شده‌ای برای چند نسل اخیر است. آن‌چه طی دهه‌های گذشته تحقق پیدا کرده است جذابیت خودِ بی‌نظمی است. بی‌نظمی هم قواعد جهان‌شمولی برای خود دارد. تا وقتی که شما در پیِ مسیر حرکت دقیقی نباشید و به جای آن سخن از گروه‌های مسیر آماری در میان باشد، رفتار بی‌نظم به مثابه شکل عادی‌ای از مدارهای ستارگانِ دنباله دار به نظر خواهد رسید. این وضعیت به همان ترتیبی است که این برخورد آماری، بی‌نظمی در غلظت تشکیل دهنده‌های شیمیایی مختلف طی واکنش‌ها و یا انتقال جا به جایی حرارت در مایعات و موارد دیگر را صورتی عادی می‌بخشد.
امروزه گردهم‌آیی‌های بین المللی در باره‌ی بی‌نظمی ترتیب داده می‌شود و نشریات، پیوسته به بحث در باره‌ی بی‌نظمی می‌پردازند. اما زمان زیادی طول کشیده است تا جذابیت مسأله‌ای به نام بی‌نظمی درک شود. یکی از علل دیرکرد در آن، فقدان بی‌نظمی در متظومه‌ی شمسی‌مان است. مدارهای سیارات، کاملاً منظمند. فقط در سال 1973 بود که مشخص شد یکی از قمرهای سیاره‌ی زحل (کیوان) به نام هیپریون، که قمری ظاهراً چند صد مایلی و با شکلی شبیه به یک همبرگر عظیم است، حرکتی دارد که بی‌نظم به نظر می‌رسد. مکانیک نیوتونی با بُعدی از قضیه سروکار دارد که در نهایت، سیستم بسیار ساده به شمار می‌آید: قمرهای زحل به تعداد یک دوجین یا بیش‌تر گرد سیاره می‌چرخند و سیاره خود نیز چرخان به دور خورشید است. اما این مکانیک از تمام جنبه‌های عملی، ناتوان از محاسبه‌ی رخ‌داد بعدی در چرخش هیپریون است. درهر صورت بی‌نظمی‌ای مانند بی‌نظمی چرخش هیپریون در منظومه‌ی شمسی بسیار نادر است. ظاهراً دلیلِ بسیار اندک بودن بی‌نظمیِ قابل تشخیص در منظومه‌ی شمسی را باید در اصلی جستجو کرد که باید آن را اصل بقای پایدارترین نام نهاد. تمام اجرامی که در مداراتی با حرکت بی‌نظم تشکیل می‌شدند لگدهایی خورده و به مدارهایی خارج از منظومه‌ی شمسی پرت شده‌اند. به عنوان نمونه با نگاهی به عکسی از حلقه‌های دور سیاره‌ی زحل، حلقه‌های روشن زیبایی مشاهده می‌شوند که مسیرهای تیره‌ای آن‌ها را از یک‌دیگر جدا ساخته است و در آن‌ها هیچ‌گونه قمری وجود ندارد. این مسیرهای تیره، محدوده‌هایی در فاصله‌ی بین حلقه‌های روشن هستند که قاعدتاًٌ می‌بایست مدارهایی بی‌نظم باشند. در منظومه‌ی شمسی مدار بی‌نظم یافت نمی‌شود چرا که این‌گونه مدارها نمی‌توانند در این سیستم چندان دوام بیاورند.
این بحث جبرگرایی، مضمون اخلاقی‌ای را با خود به همراه داشته است. افکار بزرگی مانند جبرگرایی نیوتون، به سادگی از بین نمی‌روند بلکه بر عکس در گذر زمان صیقل می‌یابند. مکانیک کوانتومی و نظریه‌ی بی‌نظمی، هر یک به گونه‌ای ما را به سوی ادراک ژرف‌تر مسأله‌ی جبرگرایی سوق داده‌اند. نه فیزیک اتمی و نه مکانیک کیهانی هیچ کدام جبری نیستند، اما معنایی در این میان هست که با قرار دادن پدیده‌های فوق در آن معنا، مکانیک کلاً به مضمونی کاملاً جبری راه می‌برد؛ چه مکانیک نیوتونی و چه مکانیک کوانتومی. نه تصویر گسترده‌ی مکانیکی جبری از عالم، نه جزئیات خاص قانون گرانش نیوتونی، نه معادله‌ی حرکت نیوتونی، نه حتی اختراع حساب دیفرانسیل و انتگرال ، هیچ کدام در هسته‌ی مرکزی دستاوردهای نیوتون قرار نمی‌گیرند. پس چرا نیوتون‌گرایی همانند سرچشمه‌ی جوشانِ باورنکردنی‌ای در تاریخ به نظر می‌رسد؟ احتمالاً دلیل این امر آن است که با کار بزرگ نیوتون، انسان برای اولین بار روزنه‌ای از امکان درک کمّی از تمام طبیعت را در برابر خود یافت.
البته نیوتون اولین کسی نبود که در بُعد کمّی به طبیعت می‌اندیشید. یونانیان هلنی مانند اراتوستنس، بطلمیوس، و ارشمیدس، و بعدها در فرنِ پیش از نیوتون، فیزیک‌دانانی چون هویگنس و گالیله، افرادی بودند که در واقعیتِ فیزیکی بخشیدن به شیوه‌های کمّی، نقش عظیمی ایفا کردند. هم‌چنین نیوتون را نباید اولین فردی به شمار آورد که در تفکر جامع در باره‌ی طبیعت و پرداختنِ نظریه‌ی وحدت یافته در باره‌ی همه چیز، کوشش به خرج می‌داد. این موضوع به دورانی حتی پیش‌تر از یونانیان هلنی مربوط می‌شود؛ و به دوران تالس و آناکسیمنس، و سپس به دورانِ نزدیک‌تر به عصر نیوتون، یعنی دکارت، باز می‌گردد. اما دو شیوه‌ی نگرش کمّی و نگرش وحدت یافته، قبل از نیوتون از سوی هیچ کس یک‌جا پی‌گیری نشده بود. از زمان تالس تا زمان دکارت، آن‌هایی که نگرشی جامع در باره‌ی طبیعت داشتند هرگز ضرورت تلفیق تصویر جامع خود از جهان را با درک کمّی طبیعت در تمام زمینه‌ها احساس نکرده بودند. و آن‌هایی هم که نگرش کمّی نسبت به طبیعت داشتند هرگز تصور فرمول‌بندیِ قوانینی را که قادر به تشریح همه چیز باشد در سر نمی‌پروراندند.
امکان درک کمّی همه چیز، که نه تنها حرکت سیارات به دور خورشید بلکه همه‌ی پدیده‌های فیزیکی را در بر می‌گرفت، برای اولین بار با نیوتون پای به عرصه‌ی وجود گذاشت. نیوتون راه را به ما نشان داد. در این معنا، مهم‌ترین بخش دستاوردهای نیوتون نه نظریه‌ی حرکت سیاره‌ای، بلکه نظریه‌ی او درباره‌ی حرکت ماه بود که در جلد سوم از کتاب اصول (Principia) آمده است. وی در این مبحث می‌گوید نیروی گرانش زمین باعث افتادن هر شیئ با شتاب معین می‌شود. به عبارت دیگر می‌توان گفت هر جسم رها شده از حالت سکون، در ثانیه‌ی اولِ سقوط مسافتی برابر با چهار صد و نود سانتیمتر طی خواهد کرد: x=1/2 gt2 then x=1/2*980*12=490 cm سطح زمین که ما آزمایش‌های خود را بر روی آن انجام می‌دهیم فاصله‌ی معینی تا مرکز زمین دارد، و نیوتون از این مسئله آگاه بود که می‌توان کل جرم زمین را فشرده شده در مرکزش در نظر گرفت. (این نکته در حقیقت مشکل‌ترین بخش از تمامی بحث وی از نظر نمایش ریاضی بود.) کره‌ی ماه شصت برابر از فاصله‌ی سطح زمین تا مرکز خود دورتر است. بنابراین بر اساس قانون عکس مجذور فاصله، اگر کره‌ی ماه سقوط آزاد بکند در ثانیه‌ی اول سقوط، نه مسافتی برابر با چهارصد و نود سانتیمتر بلکه به نسبت سه‌هزار و شش‌صد مرتبه (یعنی مجذور شصت) کم‌تر از آن طی خواهد کرد. محاسبه‌ای ساده نشان می‌دهد که نسبت چهارصد و نود به سه هزار و شش‌صد عددی درحدود سیزده صدم سانتیمتر است. بنابراین در صورت سقوط آزاد از حالت سکون، در ثانیه‌ی اول مسافتی به میزان سیزده صدم سانتیمتر طی خواهد شد. اما کره‌ی ماه در حالت سکون نیست بلکه روی مداری دایره‌ای گردش می‌کند. باید گفت همین مسأله هم چندان تفاوتی ایجاد نمی‌کند. اگر ماه از سوی کره‌ی زمین جذب نمی‌شد روی خط مستقیمی به راه خود ادامه می‌داد، خطی مماس بر مدار گردش فعلیش در آن لحظه‌ی معین. واقعیت این است که به جای حرکت روی خط مستقیم، به سوی زمین انحنا پیدا می‌کند و مدار دایره‌ای هم دقیقاً نتیجه‌ی همین گرایش منحنی‌وار است. در اثر این سیر گرایشی، کره‌ی ماه طی هر ثانیه به میزان سیزده صدم سانتیمتر نزدیک‌تر از حالت حرکت مستقیم الخط نسبت به زمین قرار می‌گیرد. نکته‌ی زیبا در این بحث آن است که نیوتون پدیده‌های آسمانی را به یک‌دیگر ارتباط نمی‌داد. او تنها یک پدیده‌ی آسمانی، یعنی مدار کره‌ی ماه را به چیزی که روی زمین رخ داده بود ارتباط می‌داد: افتادن سیبی روی سرش در کمبریج شایر (البته اگر واقعاً هرگز سیبی بر سر نیوتون افتاده باشد). او سد بین موضوعات آسمانی و زمینی را در فیزیک از میان برداشت و با این کار خود، نه تنها پرده از روی رمز و راز آسمان‌ها به کنار زد بلکه راه را بر امکان ظهور ادراکی باز کرد که در سایه‌ی آن بتوان آسمان‌ها و زمین را تماماً هم‌چون ترکیب یگانه‌ای دریافت.
در تاریخ بشریت موضوعات اندکی هستند که به پای اهمیت این برداشت می‌رسند. کار نیوتون ذهنیت انسان‌ها و نگرش آنان به عالم و موقعیت خود در عالم را دگرگون ساخت. تره‌ور روپر تاریخ نویسی است که نیوتون و اندیشه‌های وی را در مقام از بین برنده‌ی جنون جادوگری در اروپای قرن هیجدهم ستوده است. تاریخ نویسان به بحث در مورد میزان نقش مکتبی نیوتون، فیزیک نیوتونی و پیروان وی در انقلاب صنعتی قرن بعدی می‌پردازند. ظاهراً نگرش عمومی بر آن است که بانیان انقلاب صنعتی مردانی چون جیمز وات، استیونسن و ادیسن بودند که در مورد علوم عصر خود و یا حتی عصر نیوتون چندان دانش زیادی نداشتند بلکه در جو جهت یافته‌ای کار می‌کردند که انقلاب علمی قرن هفدهم به وجود آورده بود. شگفت آور نیست که هربرت باترفیلد، تاریخ نویس انگلیسی در هر دو زمینه‌ی علم و سیاست قرن هفدهم می‌گوید: «از زمان ظهور مسیحیت، هیچ رخ‌داد برجسته‌ای در تاریخ از چنان ارزشی برخوردار نبوده است که با فیزیک نیوتونی مورد مقایسه قرار گیرد.» البته نیوتون فقط دریچه‌ای به سوی سیستم واقعاً جامع طبیعت در برابر دیدگانمان باز کرد. نیوتون می‌دانست که در کنار گرانش، نیروهای دیگری هم در طبیعت وجود دارند و می‌دانست که از ماهیت آن نیروها خود هیچ آگاهی ندارد. اما امیدوار بود که همان استدلال ریاضی و روشن بینی که جوهر نیروی گرانش را از روی نقش آن در منظومه‌ی شمسی نمایان ساخته بود جوهر دیگر نیروها و نقش راهبری آن‌ها را در مورد تمام پدیده‌های طبیعت نیز آشکار کند. در پیش‌گفتار چاپ اول اصول که نیوتون آن را روز هشتم ماه مه سال 1686 میلادی در کالج ترینیتی نوشت، آمده بود: «ای کاش می‌توانستیم به استنتاج بقیه‌ی پدیده‌های طبیعت با همان استدلال به کار رفته در اثبات اصول مکانیکی دست یابیم، زیرا دلایل زیادی مرا به احساس تبعیت تمام پدیده‌های طبیعت از نیروهای حتمی وامی‌دارد.» اما وی آگاهی‌ای از این نیروها نداشت و زمان زیادی طول کشید تا انسان به درک آن‌ها نایل شود. در قرن نوزدهم بین دانشمندان شیمی آلی اندیشه‌ای وجود داشت مبنی بر این‌که مواد شیمیایی در موجودات زنده تابع قوانین جداگانه‌ای نیستند بلکه از همان قوانین حاکم بر مواد شیمیایی معدنی تبعیت می‌کنند. داروین و والیس بر این باور بودند که رشد انواع گوناگون موجودات زنده‌ی روی زمین را نباید تابع قوانین زیستی مجزا از قوانین معمول فیزیک و شیمی دانست بلکه در این روند، انتقال اتفاقی دگرگونی‌های قابل وراثت در بین ارگانیسم‌ها مطرح است. ماکسوِل نیز می‌گفت نور چیزی جدا از بقیه‌ی طبیعت نیست، بلکه نمودی است از میدان‌های مرتعش الکتریکی و مغناطیسی.
این‌گونه نگرش‌ها گام‌های بزرگی در راه نمایان شدن دیدگاه وحدت یافته‌ای از طبیعت بودند. اما تا اوایل قرن بیستم حتی برای درک امکان وجود چنین دیدگاهِ واقعاً وحدت یافته‌ای راهی بسیار طولانی در پیش بود. گفته‌ی فیزیک‌دان برجسته‌ی امریکایی، مایکلسن، را به خاطر بیاورید. وی در سال 1903 میلادی در کتاب خود تحت عنوان امواج نوری و کاربردهای آن، گفت: «مهم‌ترین قوانین و حقایق بنیادی که در علوم فیزیکی تماماً کشف شده‌اند از چنان ثباتی برخوردارند که امکان تکمیل آن‌ها با اکتشافات جدید را باید امری به کلی مردود شمرد.» این گفته مایه‌ی خنده‌ی فیزیکدانان شده است. البته بی‌تردید مایکلسن در اشتباه بود، اما به نظر می‌رسد بیش‌تر آن‌هایی که این گفته‌ی وی را به تمسخر می‌گیرند ممکن است که خود غافل از نقطه‌ی اشتباه وی باشند. در 1903 نوع معینی از فیزیک در حال رسیدن به آخر عمر خود بود: فیزیک حرکت‌های ماکروسکوپی در مورد مایعات و جامدات. شاید مایکلسن خبر از این نداشت که فیزیک‌دانان عصر وی موفقیت‌هایی در توصیف نیروهای شیمیایی به دست آورده بودند. برای مایکلسن، فیزیک و شیمی دو علم جدا از هم بودند و فیزیک مسئولیتی برای دخالت در حوزه‌ی شیمی نداشت. اشتباه مایکلسن از دیدگاه بسیار محدود وی درباره‌ی آن‌چه که در حوزه‌ی روش‌های فیزیکی قابل توصیف بود ناشی می‌شد. در واقع تا قبل از کشف شواهد مستقیمی در خصوص تشکیل طبیعت از اتم‌ها، و تا قبل از شروع بررسی خواص آن‌ها (یعنی اندازه‌ گیری بار الکترون و اندازه‌ گیری جرم اتم هیدروژن) طی دهه‌های اول قرن بیستم، هنوز فیزیک‌دانان تصوری از این مسأله نداشتند که خواص ماده از قبیل نیروهای شیمیایی، نیروهای اصطکاکی و تمام پدیده‌های آشنا در مورد برخورد اشیا با یک‌دیگر را باید در زمره‌ی نیروهای فیزیکی به شمار آورد. این درست همان چیزی بود که نیوتون به تصورش دست یافته بود.
پیش از سال 1918 میلادی، اینشتاین دریافته بود که ما دقیقاً در مسیر دست‌یابی به دیدگاهی وحدت یافته از طبیعت گام برمی‌داریم، و طی سخن‌رانی خود در همان سال گفت: «وظیفه‌ی اعلای هر فیزیک‌دان، دست یابی به آن قوانین بنیادین جهانی است که بتوان با استنتاجی ساده از آن‌ها به نظام عالم هستی پی برد» - باز هم درست آن‌چه که نیوتون در آرزویش بود! امروزه این‌چنین آرزویی بد نام شده است. برخی، این دیدگاه را قیاس گرایی می‌نامند. بدون شک، قیاس گرایی سطحی بسیار زیان بار خواهد بود. مطمئناً نمی‌توان گفت فیزیک می خواهد جای دیگر علوم را به تنهایی اشغال کند. کار شیمی‌دانان در زمینه‌ی آن‌چه که پدیده‌های شیمیایی خوانده می‌شود ادامه خواهد یافت و آنان همه‌ی تلاش خود را در حل معادله‌ی مکانیک کوانتومی شرودینگر خلاصه نخواهند کرد. در مورد زیست شناسان، جامعه شناسان، و اقتصاد دانان نیز همین امر صادق است. آنان تحت نظام رشته‌های خود فعالیت خواهند کرد، چرا که در سطح معینی از پیچیدگی، طبیعت، پدیده‌هایی را در خود نشان می‌دهد که دیگر نمی‌توان آن‌ها را به طرز مفید در حرکت ذرات بنیادی خلاصه کرد. حتی در فیزیک هم چنین مسأله‌ای را می‌توان دید. گرماپویایی (ترمودینامیک) یا علم حرارت، شاخه‌ای است خاص از علم فیزیک. ما رفتار اجسام داغ را در جریان سرد شدنشان، با مراجعه به حرکات ذرات بنیادی آن اجسام مورد مطالعه قرار نمی‌دهیم. در حقیقت، با تعقیب حرکت ذرات بنیادی در یک لیوان آبِ در حال جوش، اطلاعات باور نکردنی‌ای در باره‌ی مسیر هر یک از ذرات حاصل می‌شود. اما در هیچ یک از انبوه نوارهای کامپیوتری، احساسی از جوشیدن آب به ما دست نخواهد داد.
بدین ترتیب، قیاس گرایی، محدودیت‌هایی برای خود دارد. یکی دیگر از جنبه‌های گمراه کننده‌ی قیاس گرایی، نگرشی است که در آن، فیزیک الگویی برای دیگر علوم یا برای تفکر انسانی در مفهوم عام قلمداد می‌شود. از زمان هربرت اسپنسر به بعد، الگو قرار دادن فیزیک برای علوم اجتماعی نگرشی بسیار زیان‌بار بوده است. فیزیک الگوی بسیار خطرناکی برای علوم اجتماعی است. در حقیقت، فیزیک الگویی خطرناک برای همه چیز به جز خود فیزیک است. اما در کنار هشدارهایی که در ارتباط با خطرات تحویل گرایی پیشِ رویتان قرار گرفت باید از خلأی بسیار با اهمیت در ژرفای تمام خلأهای موجود در ادراک ما از طبیعت سخن به میان آورد، و آن خلأ موجود در ادراک ما از نیروهای حاکم بر ذرات خرد است که اتم‌ها و ماده از آن‌ها به وجود می‌آید. البته هنوز در راه تکمیل این ادراک و پر کردن این خلأ بزرگ گام برمی‌داریم. نیروهای ضعیف الکترونی را که عامل به جود آورنده‌ی برق و مغناطیس هستند می‌شناسیم. از وجود نیروهای قوی هسته‌ای که کوارک‌ها را درون ذرات داخل هسته در کنار هم نگه می‌دارند آگاه هستیم. و بالاخره، ما به درک جنبه‌هایی از گرانش دست یافته‌ایم. عجیب است که از‌بین تمام نیروهای شناخته شده، آن را که بیش‌تر از همه مورد مطالعه قرار داده‌ایم کم‌تر از همه می‌شناسیم، و آن نیروی گرانش است. ما به نظریه‌ی ریاضی خوبی در مورد نیروهای قوی هسته‌ای به نام کرومودینامیک کوانتومی دست یافته‌ایم که در اوایل دهه‌ی هفتاد قرن بیستم از طرف گروهی از فیزیک‌دانان ارائه شد. کرومودینامیک کوانتومی نظریه‌ی ریاضی بسیار رضایت بخشی است و هیچ نقص و اشکال ریاضی در آن به چشم نمی‌خورد. این نظریه به خوبی می‌تواند از عهده‌ی توصیف تمامی پدیده‌های دخیل در نیروهای قوی هسته‌ای، یعنی نیروهایی که هسته و اتم را در انسجام نگه می‌دارند، برآید. هم‌چنین اطلاعی از نیروهای ضعیف الکترونی در دست داریم که اگر چه در این زمینه دانش ما از خلأهای ژرفی رنج می‌برد اما چشم انداز روشنی پیش رویمان قرار دارد. نسل آینده‌ی شتاب دهنده‌هابی ذرات، این خلأ آگهی را پر خواهند کرد. این نظریات، حاوی مضمونی ریاضی‌اند، آزمایش‌های تجربی تأییدشان می‌کنند، و از گونه‌ای کیفیت جبری برخوردارند. بیش‌تر از آن که دقیقاً تطبیق یافته با داده‌ها باشند، تحمیلی‌اند. این نظریات همانی هستند که هستند، چرا که جز این نمی‌توانند باشند.
گرانش، موقعیتی متفاوت دارد. ما امروز نظریه‌ی گرانش را به صورت نسبیت عام اینشتاین در دست داریم که در فواصل زیاد و سرعت‌های پایین به نظریه‌ی گرانش نیوتون تحویل می‌شود و کاهش می‌یابد. نظریه‌ی گرانش نیوتونی به خوبی جواب‌گوی مسأله در بُعد منظومه‌ی شمسی یا کهکشان و یا در بُعد پدیده‌های زندگی روزمره بر روی کره‌ی زمین است. اما هر چه به فواصل بسیار اندک و انرژی‌های بالا نزدیک شویم نظریه‌ی مزبور رفته رفته معنای خود را از دست خواهد داد. اگر بپرسید: «نیروی شرکت کننده بین دو ذره در اثر گسیل و جذب مجدد کوانتوم‌ها در تشعشعات گرانشی امواج بسیار کوتاه چیست؟» محاسبه بر اساس قانون عکس مجذور فاصله، نیروی بین دو ذره را بی‌نهایت نشان خواهد داد. اما این کاملاً بی‌معنی است. یعنی نظریه‌ی گرانش نیوتونی برای امواج بسیار کوتاه نمی‌تواند کاربردی داشته باشد. در سال‌های اخیر، نظریه‌ی قابل توجهی به نام نظریه‌ی اَبَر ریسمان ارائه شده است که شاید بتوان آن را نخستین نظریه‌ی ریاضی کامل در مورد گرانش به شمار آورد. در نظریه‌ی اَبَر ریسمان به جای ذرات یا امواج، ریسمان‌های کوچک بسته یا باز هستند که تشکیل دهنده‌های بنیادی طبیعت محسوب می‌شوند. هر ریسمان می‌تواند به اشکال مختلف لرزش کند و هر لرزشی نمایانگر نوعی از انواع ذرات بنیادی خواهد بود. این نظریه ظاهراً فاقد نقص‌های ریاضی نظریات گرانش پیشین است و نکته‌ی فریبنده‌تر این که اَبَر ریسمان نه تنها نظریه‌ای کامل در باره‌ی مسأله‌ی گرانش است بلکه نمی‌تواند هم چنین نباشد. در این نظریه اصولاً نمی‌توان تصور کرد که گرانش وجود نداشته باشد.
بدین ترتیب سه گام اساسی برداشته شده است. نخست این که نیوتون گرانش را در قالب عکس مجذور فاصله بیان داشت، اما همواره در این اندیشه بود که قانون گرانش، قانون عکس مجذور فاصله نیست – داده‌های موجود بودند که قانون را اجباراً به شکل عکس مجذور فاصله درمی‌آوردند. سپس اینشتاین با نظریه‌ی نسبیت عام، توصیفی از گرانش ارائه داد که متضمن گرانش نیوتونی در حالت‌های حد بود. اما نظریه‌ی نسبیت عام اینشتاین هنوز این پرسش را بدون پاسخ گذاشته بود: اصلاً چرا باید گرانش وجود داشته باشد؟ چرا فضا منحنی است و به طور ساده مسطح نیست؟ چه کسی چنین خواسته است؟ اَبَر ریسمان برای اولین بار، امکان رهایی از وجود گرانش را منتفی ساخته است. تاریخچه‌ی این نظریه، خالی از لطف نیست. پیش از ظهور کرومودینامیک کوانتومی، نظریه‌ی اَبَر ریسمان به عنوان کوششی در توجیه نیروهای قوی هسته‌ای ارائه شد. دانشمندان فیزیک ریاضی که در اواخر دهه‌ی شصت میلادی به ارائه‌ی آن پرداخته بودند از این که نظریه‌اشان وجود ذره‌ای شبیه کوانتوم تشعشع گرانشی (یعنی گراویتون) را پیش بینی می‌کرد دچار شگفتی فراوان شده بودند. نظریه به نیروهای قوی هسته‌ای مربوط می‌شد و آنان نمی‌توانستند جایگاه روشنِ گرانش را در این میان درک کنند. کرومودینامیک کوانتومی در اوایل دهه‌ی هفتاد میلادی پا به عرصه‌ی وجود نهاد و برای مدتی صاحبان نظریه‌ی ابر ریسمان را تحت الشعاع قرار داد. برخی از نظریه پردازان مذکور در گمنامی فرو رفتند و ارج و اعتباری نیافتند. در دهه‌های اخیر دریافته‌ایم که نظریه‌ی اَبَر ریسمان قادر به ارائه‌ی دیدگاه وحدت یافته‌ای از تمام ذرات و نیروهاست. این نظریات، تحت آزمون تجربی قرار نگرفته‌اند و ما نومیدانه در این آرزو به سر می‌بریم که جامعه‌ی انسانی، تلاش دانشمندان فیزیک هسته‌ای را ارج نهد تا بتوانند اندیشه‌های فرضیه‌ای امروز را عینیت بخشند. تنها راه برای این کار، ساخت شتاب دهنده‌های بزرگ است. آزمون اندیشه‌ها و پالایش آن‌ها از این طریق امکان پذیر خواهد بود. و بدین‌سان، آرزوی نیوتون («ای کاش می‌توانستیم بقیه‌ی پدیده‌های جهان را ...») هنوز تحقق نیافته است ولی امروز روی آن، بیش‌تر با سنت نیوتونیِِ «فرمول بندیِ قوانین کمّیِ هرچه فراگیرتر»، کار می‌کنیم. و از این دیدگاه، تمامیِ آن چه که از سال 1687 میلادی تاکنون انجام شده است پرتوی است که بر روی کتاب اصول نیوتون افکنده شده است.
منبع: راسخون