پنج راز بزرگ فیزیک که دانشمندان را شب زنده دار می کند!

سوالات مربوطه، همگی مرتبط با فیزیک ذرات می باشند. در اینجا به پنج سوال مهم دیگر اشاره می کنیم که فیزیکدانان را در نیمه شب ها، بیدار نگه می دارد. برخی از سوالات مربوط به مسائل معمولی اما مهم در کشفیات علمی هستند، و بقیه ی سوالات در مسیر تقاطع علم فیزیک و علوم دیگر قرار گرفته اند و سوالات دیگری که ماهیت طبیعی واقعیات را کاوش می کنند.

۱- آیا ما سرانجام راز مکانیک کوانتومی را خواهیم فهمید؟

ریچارد فایمن(فیزیکدان کوانتومی) معروف به شوخی گفته که «من با خیال راحت می توانم بگویم که هیچکس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد.» اوضاع از زمان فاینمن، اساسا زیاد تغییر نکرده، اما این مسئله بسیار بیشتر تحت فشار قرار گرفته است. این به دلیل آنست که هیچ نظریه ی علمی دیگری مانند مکانیک کوانتوم، ارائه نشده که تا به این حد بین پیش بینی های موفقیت آمیز و درک عمیق آن، شکاف های بزرگی وجود داشته باشد. با شروع در دهه ۱۹۷۰، بعضی از عجیب و غریب ترین مفاهیم نظریه کوانتومی – که برجسته ترین آنها پدیده "شبح واری” (به اصطلاح اینشتین) برای "درهم تنیدگی کوانتومی” می باشد- توسط آزمایش های دقیق تایید شده اند. جایزه نوبل سال ۲۰۱۲ برای استفاده از این ویژگی عجیب(پدیده ی شبح واری) در به دام انداختن یون ها و اتم ها، به صورت مشترک به دو فیزیکدان اهدا شد.

و هنوز ما هیچ نشانه ای نداریم که در واقع هر یک از حقایق اساسی مکانیک کوانتومی شامل دوگانگی ذره-موج، درهم تنیدگی کوانتومی، تونل زنی کوانتومی و یا آزمایش دوشکاف- چگونه اتفاق می افتد، که به صورت بسیار ساده، انجام می شوند و به گفته ی فاینمن، این سادگی "یگانه راز مکانیک کوانتومی” می باشد. جهان کوانتومی، همچنان به صورت سرزمین پر رمز و راز پریان باقی می ماند که عقل سلیم را به چالش می کشاند و در جهان آن، هر چیزی ممکن است. دهه هاست که فیزیکدانان از مکانیک کوانتومی استفاده می کنند، اما هیچکس به شکلی متقاعد کننده به ما نشان نداده که این جهان از کجا نشئت می گیرد. ممکن است که اینشتین در مورد ذات اصلی آزمایش ها به خطا رفته باشد، ولی در مورد واقعیت آنها، او درست می گفته که احساس می کند یک قوه ی تصمیم گیری پریشان وجود دارد که جهان اسرارآمیز کوانتوم را احاطه کرده است. شرح داستان تمثیلی گربه ی شرودینگر، باعث خنده ی هر کسی خواهد شد، اما این خندیدن نمی تواند اندوه عمیق فیزیکدانان را محو کند، یک احساس که موفق ترین تئوری آنها از طبیعت، در پایین ترین ترازهایش، تنها یک هاله ی مبهم از غبار می باشد.

از ارائه ی اولین تئوری کوانتومی تاکنون، تفسیرهای جایگزین فراوانی در مورد اینکه کلیت آن چه معنی دارد، وجود داشته است، از تفسیر کلاسیک کپنهاگی گرفته تا تفسیر ساده اما اسرارآمیز چند-جهانی از هیو اورت. و ما هنوز به انتخاب یک تفسیر برنده از میان این تفسیر های جسورانه، نزدیک نیستیم. شاید تنها مشکل ما تلاش برای بکارگیری این حس مشترک است که یک جهان دیگر، اساسا چگونه است که پاسخ آن به ذهن حقیر ما خطور نمی کند. شاید ما باید همچنان این مسیر "خفه شو و محاسبه کن” را ادامه دهیم تا به یک نقطه ی توافق با نتایج آزمایش ها برسیم که تئوری هم، همان را به ما بدهد و از این مفهوم دست بکشیم که "کلیت آن به چه معناست؟”. چیزی که ما اکنون می دانیم این است که فیزیکدانان و فلاسفه در جستجوی یک واقعیت درست تحت قوانین مکانیک کوانتومی می باشند، چه این واقعیت وجود داشته باشد یا نه.

۲- آیا ما در نهایت خواهیم توانست گراویتون ها را شناسایی کنیم؟

گراویتون ها ذرات بنیادی اولیه فرضی هستند که واسطه ی تولید نیروی گرانشی در چارچوب نظریه ی میدان کوانتومی می باشند. وجود گراویتون ها برای جوش دادن ورقه ی بین مکانیک کوانتوم و نظریه ی نسبیت اینشتین، ضروری می باشد، جستجویی که برای پنجاه سال همچنان در جریان بوده است. این تلاش سلسله از معادلات و آزمایش های عالی بدون هیچ نوع پاسخ قطعی تولید کرده است(شایان ذکر است که جستجو برای گراویتون های تکی متفاوت از جستجو برای امواج گرانشی می باشد، یک تلاش کاملا کلاسیک). لیگو(LIGO) و لیزا(LISA) تنها دو نمونه از پروژه های بلند پروازانه ی زیادی می باشند که برای رسیدن به این هدف طراحی شدند. تا به حال هیچ یک از این تنظیمات آزمایشی قادر به تشخیص امواج گرانشی نبوده اند[این مقاله قبل از آزمایشات اخیر که در آن امواج گرانشی کشف شدند، نوشته شده و همانطور که اطلاع دارید دانشمندان در سپتامبر ۲۰۱۵ توانست امواج گرانشی ناشی از برخورد دو سیاهچاله را شناسایی کنند]، اما در مورد گراویتون های تکی، مسئله به طور کامل، یک بازی دیگر می باشد.

در طول چند سال گذشته فریمن دایسون(Freeman Dyson)، تونی راتمن(Tony Rothman) و استفان باخ(Stephen Bough) از میان دیگر دانشمندان، مقالاتی نوشته شده که نشان می دهد احتمالا شناسایی یک گراویتون تنها، غیر ممکن است اگر هر چیز شبه فیزیکی در نظر گرفته شود. آنها روش های موجود را تجزیه و تحلیل نمودند و نتیجه گرفتند که اگر در شناسایی گراویتون ها موفق شوند، مقیاس دستگاه های آزمایش در این روش ها، به اندازه های غیر واقعی نزیک به صفر می رسد. بنابراین جاذبه ممکن است مانند دما یا فشار ، یک خصوصیت جسمی آماری، باقی بماند، که غیر قابل تقلیل به خواص ذاتی ذرات باشد. در صورتی که این نتیجه به واقع صحیح باشد، ممکن است برای همیشه، یک دیوار آهنی از بی خبری بین جهان فیزیک کوانتوم و جهان فیزیک کلاسیک، به وجود آید. این احتمال وجود دارد که این مسئله دیوانه کننده باشد و حتی لازم است که فیزیکدانان را از رؤیای نسبتا معقولِ وحدت نیروهای شناخته شده ی طبیعت، بیدار نمود.

۳- آیا ما سرانجام راز ظهوریافتگی را کشف خواهیم کرد؟

در سال ۱۹۷۲، فیزیکدان برنده ی جایزه نوبل و با استعداد اما "بدخلق”، فیلیپ اندرسون(Philip Anderson) یک ترقه روشن کرد و آنرا به زیرزمین معبد فیزیک انداخت. اندرسون در یک مقاله ی علمی با عنوان "بیشتر متفاوت است” تاکید نمود که نوع تفاوت بین درک رفتار ذرات منفرد-چیزی که فیزیک به شکلی گسترده در آن سرآمد است- و یک مجموعه از ذرات، فقط از دید تفاوت کمیتی نمی باشد بلکه از نظر کیفیتی نیز متفاوتند. اندرسون در مقاله اش به پدیده ی کیهانی ظهوریافتگی(Emergence) متوسل شده بود، یک ارتباط که اغلب به شکلی آزادانه در اطراف در جریان است ولی بسیار واقعی تر می باشد. به عبارت ساده، ظهوریافتگی به این واقعیت اشاره دارد که رفتار گروهی از موجودیت ها را نمی توان از رفتار فردی یکی از آنها به تنهایی، پیش بینی نمود.

پدیده ی ظهوریافتگی بر جهان ما حکم می راند، از خواص فلزات گرفته تا لانه موریانه ها، دسته های پرندگان و اقتصاد جهانی. به یک معنا، تمام شیمی، زیست شناسی و جامعه شناسی یک سلسله مراتب تجمعی از رفتار ظهوریافتگی می باشند. علم فیزیک در توضیح این مکانیسم مرکزی و عمیق در کارکرد جهان طبیعی، ناکام است. در واقع همچنان که اندرسون می گوید، فیزیک نمی تواند ظهوریافتگی را حتی در محدوده ی ناچیز خود، توضیح دهد، به عنوان مثال در زمینه ابررسانایی. هشتاد سال پیش، پل دیراک(Paul Dirac) اشاره کرد که قوانین فیزیک که از این پس درک می شوند، می تواند "بیشتر فیزیک و تمام شیمی” را توضیح دهند. و با این حال ما هنوز چگونگی جهش منطقی رفتار یک کوارک را به رفتار یک دی.ان.ای(DNA) استاندارد که متشکل از توده ی بسیاری از کوارک ها می باشد، درک نکرده ایم. درک رفتار پدیده ی ظهوریافتگی ممکن است تنها هدف مهم فیزیکدانان باشد اگر آنها بخواهند چگونگی ارتباط فیزیک با علوم دیگر و با جوامع انسانی را درک کند. بدون درک ظهوریافتگی، علم فیزیک برای استفاده های کوچک و بزرگ، یک دانش کاربردی اما تقریبا نامفهوم باقی می ماند.

۴- آیا ما خواهیم توانست فیزیک ذرات را زنده نگه داریم؟

این سوال به همان اندازه که فیزیکی می باشد، اجتماعی نیز هست و همچنین سوالی است که فیزیکدانان ذرات را درگیر کرده و بر می انگیزاند. سال ۲۰۱۲ در محفل بازخوانی کتابها در نیویورک، استیون واینبرگ(Steven Weinberg) اشاره کرد که بزرگترین کشف در LHC [برخورد دهنده ی هادرونی بزرگ در سازمان تحقیقاتی سرن در نزدیکی ژنو سوئیس]، احتمالا کشف بوزون هیگز نمی باشد اما در واقع، یک چیزی غیر منتظره می باشد، چیزی که واقعا دانش ما را از جهان به صورت مدل استاندارد اینشتین، رد می کند. برای این کشف ما احتمالا نیاز به ترازهای بالاتر انرژی داریم، که به نوبه ی خود برخورد های ذرات بزرگتر را ممکن می سازد که احتمالا ده ها میلیارد دلار هزینه دارد. مشکل بدتر این است که انجام این نوع از آزمایشات فیزیکی با استفاده از تجهیزات ارزان و تیم های کوچک، غیرممکن می باشد.

در مواجهه با رکود اقتصادی، بن بست سیاسی و پذیرش عمومی گسترده ی شبه علم [بجای علم]، باعث ایجاد یک نبرد فوق العاده دشوار برای فیزیکدانان ذرات خواهد شد که در انتظار حمایت از آزمایش های فیزیک چند میلیارد دلاری بعدی هستند. سابقه ای طولانی در شکست پروژه هایی مانند SSC [پروژه ی سوپر برخورد دهنده ی ابررسانا، یک مجموعه شتاب دهنده ی ذرات که در تگزاس در حال ساخت بود و در سال ۱۹۹۳ ادامه ی آن به دلیل مشکلات بودجه، متوقف گردید] و حتی پروژه های موفق مانند تلسکوپ فضایی هابل نشان می دهد که برای به موفقیت رساندن تمام مسیر یک آزمایش بزرگ فیزیکی، نیاز است تا ائتلاف سازمانی دقیق، منابع اقتصادی مطلوب و بینش سیاسی در یک جهت قرار بگیرند. زمانی که این مسیر بیش از تمامی اوقات، ساده و بدون مانع به نظر می رسد، اما در واقع فقط یک آیتم تنزل مقام در کنگره ی بودجه، می تواند تمام چنین رویاهایی را به باد دهد. عدم حمایت از پروژه های بزرگ فیزیکی در فیزیک ذرات و عدم امکان انجام این پروژه ها در مقیاس های کوچک تجاری، به این معناست که یک نسل کامل از فیزیکدانان ذرات قادر به دنبال کردن بزرگترین رمز و رازهای زمینه علمی خود نمی باشند. اینگونه تصور می گردد که باید فعالان این حوزه ی علمی را همواره درگیر کار، تحقیق و بررسی نگه داشت.

۵- آیا فیزیک به ما کمک خواهد کرد ماهیت آگاهی را درک کنیم؟

این سوالی است که تا حدودی مربوط به سوال ۳ در بالا می شود اما اهمیت محتوی آن باعث می شود که سزاوار یک مبحث جداگانه باشد. فراتر از درک چیزهایی مانند منشاء جهان هستی، درک منشا آگاهی زیاد، اجازه می دهد تا ما منشا جهان هستی را که به واقع مهمترین سوال در علم محسوب می گردد، درک کنیم. ما به طور قطع یک راه طولانی از تلاش و تحقیق پیش رو داریم تا به پاسخ این سوال برسیم، ولی علوم اعصاب، یک رشته جوان و پویا می باشد که پر از فرصت هیجان انگیز است. سوال فیزیکی در مورد مغز که ما می خواهیم به پاسخ دهیم: آیا کم و بیش، شواهد مستقیمی از اصول مکانیک کوانتومی درگیر در کار مغز در ترازهای مختلف، از سلول های عصبی تا مرحله ی رفتار، وجود دارد. به یک معنا، این سوال می پرسد که دقیقا چه نوع اتصالاتی هستند که جهان میکروسکوپی را به جهان بزرگ مقیاس، ارتباط می دهد، مسیری از تحقیقات که به نقطه ی آغاز علم بر می گردد!

دست کم تعدادی از دانشمندان برای پاسخ به این سوال، تلاش نموده اند. چند سال پیش راجر پنروز(Roger Penrose) و استوارت همروف(Stuart Hammerof) پیشنهاد کردند که تغییر سامانه های پروتئینی -که میکروتوبول(microtubules) گفته می شود -در مغز، می تواند به عنوان یک مثال مستقیم از برهم نهی درهم تنیده ی ذرات بنیادی، باشد. به هر حال این رساله ی بحث برانگیز، یک ضربه ی بزرگ از کار مکس تگمارک(Max Tegmark) دریافت نمود، که وی نشان داد که در دماهای معمولی، هر نوع درهم تنیدگی ذرات در مغز، تحت واهمدوسی* بسیار سریع قرار دارد، یک نوع استخراج میانگین که اساسا اتصال خصوصیات بیوشیمیایی حالت های قابل مشاهده ی درهم تنیدگی را قطع می کند.

اما این سوال ظاهرا لاین حل می باشد: کارهای دیگر، ارتباطی بین پدیده ی برهم نهی(برهم نهی درهم تنیده ی ذرات بنیادی) و پدیده های مهمی مانند فتوسنتز و انتقال الکترون در پروتئین ها را نشان داده اند. شاید یک روز ما بتوانم چگونگی ماهیّت حافظه را در ترازهای مولکولی در نتیجه ی پدیده ی درهم تنیدگی، توضیح دهیم. یا شاید توضیح آگاهی، اساسا غیر ممکن باشد، همچنانکه ظاهرا برخی از فیزیکدانان مانند ادوارد ویتن(Edward Witten) اینگونه فکر می کنند. در هر صورت، هیچ شکی نیست که مطالعه ی دقیق ارتباط بین فیزیک و آگاهی، یکی از نخستین معماهایی است که فیزیکدانان همچنان در مورد آن رویاپردازی می کنند.

• همدوسی و واهمدوسی: وقتی که دو موج کوانتومی برهم منطبق شده باشند، همانند یک موج رفتار می کنند و گفته می شود که آنها همدوس می باشند، فرایندی که بوسیله آن، دو موج همدوس دوباره به حالت های اولیه خود برمی گردند و هویت های انفرادی اولیه خود را دوباره به دست می آورند، واهمدوسی نامیده می شود.

منبع: بیگ بنگ