فلسفه فیزیک

بسیاری در جامعه ی علمی معتقدند که سفر زمانی به شدت نامحتمل است زیرا علیت، منطق زنجیره ی علت معلول، را نقض می کند. اگر تلاش کنید به گذشته بروید و خود (یا پدربزرگ تان) را بکشید چه روی می دهد؟

در میان شاخه های فلسفه، فلسفه ی فیزیک پرسش های فلسفی بنیادی را که در بنیان فیزیک جدید قرار دارند مطالعه می کند و به پژوهش درباره ی ماده و انرژی و این که چگونه با هم اندرکنش انجام می دهند، می پردازد. فلسفه ی فیزیک با تأمل درباره ی علیت، تعین (جبر) و ماهیت قانون فیزیکی آغاز می شود. سپس به سراغ مباحثی می رود که با موضوعات مهم در فیزیک معاصر مطرح شده اند: کیهان شناسی 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).

قرن ها قبل، مطالعه ی علیت و ماهیت بنیادی فضا، زمان، ماده، و عالم بخشی از متافیزیک بود. امروزه، فلسفه ی فیزیک اساساً بخشی از فلسفه ی علم است.
 

● فلسفه ی فضا و زمان

▪ زمان

در بسیاری از فلسفه ها زمان را به مثابه ی تغییر تلقی می کنند.

زمان کمیتی است بنیادی (یعنی، کمیتی که نمی توان بر اساس کمیتی دیگر تعریف کرد، زیرا در حال حاضر ما چیزی را بنیادی تر از زمان نمی شناسیم). بنابراین زمان از طریق اندازه گیری تعریف می شود با فاصله ی زمانی استانده ی آن. در حال حاضر، مدت ۹.۱۹۲.۶۳۱.۷۷۰ نوسان گذار فوق ظریف اتم سزیم ۱۳۳ به مثابه ی فاصله ی زمانی استانده (موسوم به «ثانیه ی قراردادی» یا فقط «ثانیه») تعریف می شود (ایزو ۱ ۳۱). این که زمان دقیقاً «چیست» و چگونه عمل می کند از تعریف فوق حاصل می شود. در کنار تعریف فعلی از فضا (بر اساس طول) این تعریف از زمان موجب می شود که نسبیت خاص دقیقاً درست باشد. فیزیکدانان از نظریه برای پیش بینی طرز اندازه گیری زمان استفاده می کنند. سپس می توان زمان را به طور ریاضی با کمیت های 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 می کردند که زمان برای همه در همه جا یکسان است. برداشت جدید ما از زمان بر نظریه ی نسبیت اینشتاین و جا گاه هرمان مینکووسکی استوار است که در آن آهنگ زمان در مکان های مختلف متفاوت است و فضا و زمان در جا گاه در هم می آمیزند. زمان ممکن است کوانتیده باشد و کوچک ترین زمان نظری ممکن، زمان پلانک است. نظریه ی نسبیت عام اینشتاین و جابجایی قرمز نور کهکشان های دوردستی که در حال دور شدن از ما هستند، نشان می دهد که کل عالم و احتمالاً خود جا گاه در حدود ۱۳.۷ میلیارد سال قبل در مهبانگ آغاز شده است. آیا عالم به پایان می رسد و چگونه؟، پرسش هایی است که هنوز به آن ها جواب قطعی داده نشده است.

▪ سفر زمانی

برخی از نظریه ها، و شایان ذکرتر از همه نسبیت خاص و عام، می گویند که هندسه های 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 می کنند شامل منحنی زمان وار بسته می شوند.

نظریه ی نسبیت خاص (و، با تعمیم معنی، نسبیت عامِ) اینشتاین، انبساط زمانی ای را پیش بینی می کند که می توان آن را سفر زمانی تلقی کرد. نظریه می گوید که نسبت به ناظر ثابت، زمان ظاهراً کندتر حرکت می کند؛ با نزدیک شدن ساعت به سرعت نور، به نظر می رسد که حرکت عقربه های آن تقریباً متوقف می شود. 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 می سازد. در این نوع، ناظر دور می بیند که زمان ساعتی که در انتهای چاه گرانشی عمیقی قرار گرفته کندتر می گذرد و ساعتی که در چاه زمینی عمیقی فرو برده و بالا آورده می شود نشان می دهد که در مقایسه با ساعت ثابتی که همراه ناظر دور بوده، زمان کم تری گذشته است.

این اثرات تا حدی شبیه خواب زمستانی موجودات زنده است (که سرعت فرآیندهای شیمیایی را در موجود پایین می آورد) که تقریباً به طرزی نامعین حیات خود را به حال تعلیق در می آورند و به این ترتیب به «سفر زمانی» به آینده می روند اما هرگز به سفری به گذشته نمی روند. آن ها علیت را نقض نمی کنند. این از نوع سفر زمانی که در داستان های علمی بیان می شود نیست (که در آن علیت به طور ارادی نقض می شود)، 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 درجه ای از آزادی.

بسیاری در جامعه ی علمی معتقدند که سفر زمانی به شدت نامحتمل است زیرا علیت، منطق زنجیره ی علت معلول، را نقض می کند. اگر تلاش کنید به گذشته بروید و خود (یا پدربزرگ تان) را بکشید چه روی می دهد (که در مورد قتل پدربزرگ به پارادکس پدربزرگ منتهی می شود)؟ 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 گرفته اند.

▪ فضا

جا گاه، بر اساس نسبیت عام، به وسیله ی جرم خمیده می شود که موجب انبساط زمان می گردد.

فضا یکی از چند کمیت بنیادی در فیزیک است یعنی آن را نمی توان از طریق کمیت های دیگر تعریف کرد زیرا در حال حاضر چیزی که بنیادی تر از آن باشد شناخته نشده است. به این ترتیب، مشابه کمیت های بنیادی دیگر (نظیر زمان و جرم) فضا نیز از طریق اندازه گیری تعریف می شود. در حال حاضر، فاصله ای که نور طی فاصله ی زمانی ۲۹۹۷۹۲۴۵۸/۱ ثانیه (دقیقاً) در خلاٌ طی می کند به عنوان فاصله ی استانده ی فضایی موسوم به متر استانده یا فقط متر تعریف می شود. این تعریف همراه با تعریف فعلی از زمان (بالا را ببینید) جا گاه ما را به فضای مینکووسکی (Minkowski) تغییر می دهد و موجب می گردد که نظریه ی نسبیت خاص طبق تعریف مطلقاً درست باشد.

در فیزیک کلاسیک، فضا، فضای اقلیدسی سه بعدی است که در آن هر وضعیتی را می توان با استفاده از سه مختصه توصیف کرد. نظریه های نسبیت خاص و عام به جای فضا از جا گاه استفاده می کنند؛ جا گاه چونان فضایی چهار بعدی مدل سازی می شود (که در آن محور زمان در نسبیت خاص موهومی و در نسبیت عام حقیقی است؛ در حال حاضر نظریه های بسیاری وجود دارد که از فضاهای بیش از چهار بعدی، اعم از حقیقی و مختلط، استفاده می کنند).

قبل از کار اینشتاین روی فیزیک نسبیتی، زمان و فضا را ابعاد مستقلی می دانستند. کار اینشتاین نشان داده است که به دلیل نسبیت حرکت، فضا و زمان را می توان به طور ریاضی در جا گاه متقارنی ترکیب کرد که در آن محور زمان (ضرب در ic) از محورهای فضا قابل تشخیص است(۱) . 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 می کند).

● فلسفه ی مکانیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی موجب بحث های زیادی در تفسیرهای فیزیکی شده است. با توسعه ی مکانیک کوانتومی، نظریه های آن به تدریج در تناقض با بسیاری از فلسفه های پذیرفته شده قرار گرفتند. اما، تمام پیش بینی های ریاضی آن با مشاهدات انطباق دارد.

در اغلب موارد، فلسفه های پذیرفته شده بر تجربه ی روزمره ی انسان معمولی مبتنی هستند که بسیار محدود است، زیرا شامل مشاهده ی سیستم های بسیار کوچک یا حرکت در سرعت های بسیار زیاد، یا آزمایش با انرژی های بالا، گرانش قوی و مانند آن ها نمی شود. هنگامی که نوبت به توصیف یا تبیین رفتار بسیاری از سیستم ها و اشیاء در طبیعت می رسد نمی توان بر «نظریه»های مبتنی بر عقل سلیم، «شهودها» یا «احساس ها» متکی بود.

● تعین

قرن هجدهم شاهد پیشرفت های زیادی در عرصه ی علم بود. پس از نیوتن، اغلب دانشمندان با این پیش فرض موافق بودند که عالم تحت حاکمیت قوانین محکم (طبیعی) قرار دارد که می توان آن ها را با مشاهده و تجربه ی علمی کشف و صورت بندی کرد. این موضع را تعین (یا جبر) می نامند. هر چند تعین پیش فرض بنیادی فیزیک پسانیوتنی بود، اما سریعاً فیلسوفان را با مسئله ای دشوار روبرو ساخت: اگر عالم و بنابراین کل جهان تحت حاکمیت قوانین محکم و جهان شمول 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 می شود). برعکس، اگر پذیرفته شود که انسان ها دارای اختیار ( ِ اختیارگرایانه یا ناهمسازگرایانه) هستند، باید بپذیریم که جهان یکسره تحت حاکمیت قوانین طبیعی نیست. برخی ادعا کرده اند که اگر جهان یکسره تحت حاکمیت قوانین طبیعی نباشد، کار علم ناممکن می شود. اما ظهور مکانیک کوانتومی بدیلی دیگر برای امکان های اکیداً محدودی که در بالا به آن ها اشاره شد در اختیار متفکران قرار داد. باور به عالمی ممکن شد که قوانین جهانشمول را دنبال می کرد اما هرگز آینده ای از پیش تعیین شده نداشت.

● اصل نایقینی

اصل نایقینی را معمولاً با سناریوی گربه ی شرودینگر بیان می کنند که در آن گربه ای همراه با مخزن گاز سمی [و ماده ای رادیواکتیو] در جعبه ای قرار گرفته است؛ با واپاشی هر اتم رادیواکتیو مخزن گاز باز می شود. تا زمان باز شدن جعبه نمی توان 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 آن ها) حاصل می شود و رفتار عالم را در مقیاس های اتمی و زیراتمی تبیین می کند.

اصل نایقینی در پاسخ به این پرسش مطرح شد: اگر الکترون موج است، موقعیت الکترون حول هسته چگونه اندازه گیری می شود؟ هنگامی که مکانیک کوانتومی توسعه یافت، آن را رابطه ای میان توصیفات کلاسیکی و کوانتومی سیستم با استفاده از مکانیک موجی می دانستند.

در مارس ۱۹۲۶ ورنر هایزنبرگ که در انستیتوی نیلز بوهر کار می کرد اصل نایقینی را صورت بندی 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 می کرد. هایزنبرگ مسئله ای را در اندازه گیری متغیرهای بنیادی در معادلات کشف کرد. تحلیل او نشان داد که اگر کسی تلاش کند هم زمان وضعیت و گشتاور ذره ای را اندازه گیری کند همیشه نایقینی ها یا عدم دقت هایی وجود دارد. هایزنبرگ نتیجه گرفت که این نایقینی ها یا عدم دقت ها در اندازه گیری از جانب آزمایشگر نیست، بلکه خصلتی بنیادی دارد و ذاتیِ ویژگی های ریاضی عملگرها در مکانیک کوانتومی است که از تعریف این عملگرها ناشی می شود.

اغلب منتقدانی که به سرنوشت و تعین معتقد بودند و ویژگی های رایج نظریه های بوهر هایزنبرگ را یک تهدید تلقی می کردند اغلب از عبارت تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی به جای و به مثابه ی مترادفی برای اصل نایقینی هایزنبرگ استفاده می کردند. 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 می گیرند که در سطحی بنیادی، جهان فیزیکی نه به شکلی تعین گرایانه بلکه به صورت مجموعه ای از احتمالات وجود دارد؛ یا مثلاً الگوی توزیع احتمال را که به وسیله ی میلیون ها فوتون ایجاد می شود که از میان شکاف پراش (Diffraction slit) می گذرند می توان با استفاده از مکانیک کوانتومی محاسبه کرد، اما مسیر دقیق هر فوتون را با هیچ روش شناخته شده ای نمی توان پیش بینی کرد. تفسیر کپنهاگی بر آن است که چنین مسیری را با هیچ روشی، حتی با اندازه گیری هایی که از لحاظ نظری بی نهایت دقیق هستند، نمی توان پیش بینی کرد.

اگر کسی بیشتر به سوی تفسیر مستقیم برود که بر اساس آن فیزیک کلاسیکی و زبان عادی فقط تقریب هایی به واقعیت کاملاً کوانتومی هستند، آن گاه به این تقریب ها احتمال هایی نسبت داده می شود و دیگر بنیادی نیستند. معادلات مکانیک کوانتومی، خود، حالت کوانتومی هر سیستم منزوی را به طور یگانه مشخص می سازند.

● مکملیت

اندیشه ی مکملیت (complementarity) در مکانیک کوانتومی از اهمیت اساسی برخوردار است. مکملیت حاکی از آن است که نور می تواند هم ذره ای و هم موجی باشد. هنگامی که آزمایش دو شکاف انجام شد، نور در مواردی به مثابه ی موج و در برخی موارد مثل ذره عمل می کرد. فیزیکدانان نظریه ی قانع کننده ای برای توضیح این امر نداشتند تا نیلز بوهر و مکملیت از راه رسیدند. مکانیک کوانتومی اجازه می دهد تا چیزهایی که از نظر شهودی کاملاً متضاد یکدیگر هستند بدون مشکل [با هم] وجود داشته باشند.

● نظر اینشتاین درباره ی اهمیت فلسفه ی فیزیک

اینشتاین به نتایج فلسفی کار خود بسیار علاقمند بود؛ دو نقل قول زیر برخی از دلایل این احساس وی را روشن می سازند.

«من درباره ی اهمیت و ارزش آموزشی روش شناسی و تاریخ و فلسفه ی علم کاملاً موافقم. امروزه افراد زیادی و حتی بسیاری از دانشمندان متخصص به نظر من مانند کسانی هستند که هزاران درخت را دیده اند اما هرگز جنگل را ندیده اند. آگاهی از زمینه ی تاریخی و فلسفی، به دانشمند آن نوع استقلال از پیشداوری های نسلی را می دهد که اغلب دانشمندان به آن دچارند. این استقلال رأی که با بصیرت فلسفی ایجاد می شود از نظر من نشانه ی تمایز میان صنعتگر یا متخصص صرف و جوینده ی راستین حقیقت است» نامه ی اینشتاین به رابرت ا. تورنتون Robert A. Thornton)، ۷ دسامبر ۱۹۴۴؛ EA ۶۱ ۵۷۴).

«چگونه می شود که دانشمند مستعد علوم طبیعی خود را به معرفت شناسی مشغول می سازد؟ ایا کار ارزشمند دیگری در حوزه ی تخصص او وجود ندارد؟ من از بسیاری از همکاران خود می شنوم که می گویند چنین احساسی دارند و من این امر را در بسیاری دیگر احساس می کنم. من نمی توانم در چنین حسی سهیم باشم … مفاهیمی که مفید بودن شان در مسائل عادی اثبات شده است چنان اقتداری بر ما پیدا می کنند که ما مبادی زمینی آن ها را فراموش می کنیم و آن ها را به مثابه ی مفروضاتی تغییرناپذیر می پذیریم. به این ترتیب، آن ها را «ضرورت های تفکر»، «مفروضات پیشینی» و مانند آن ها می نامند.

چنین خطاهایی اغلب به مدتی طولانی مسیر پیشرفت علمی را مسدود کرده اند. به همین دلیل، اگر در تحلیل مفاهیمی که مدت ها معمول بوده اند و نمایش آن شرایطی که وجاهت و فایده مندی آن ها به آن شرایط بستگی دارد و این که هر یک از آن ها چگونه از مفروضات تجربی سر می زنند، تجربه پیدا کنیم این تلاش به هیچ روی کاری بیهوده نخواهد بود. با این کار، اقتدار بسیار جدی آن ها از میان خواهد رفت» (اینشتاین، ۱۹۱۶، «اعلامیه ی یادبود ارنست ماخ»، Physikalische Zeitschrift ۱۷: ۱۰۱ ۰۲)