بریده‌هایی از کتاب واقعیت ناپیدا

... ما همه از بذرهایی آسمانی زاده شده‌ایم. همه از یک پدریم که به مادر روزی‌دهندهٔ ما، زمین، قطرات باران را می‌بخشد. پس زمینِ مادر باردار می‌شود و مزارعی خندان و درختانی اغواگر و انسان و همهٔ جانوران دیگر را به دنیا می‌آورد. زمینِ مادر است که همهٔ اینها را خوراک می‌دهد تا با آن بدن‌شان را سیر کنند، زندگی شادمانه در پیش بگیرند و نسل‌ها نسل زاد و ولد کنند...

با رفتن به صفحهٔ بعد، از آنچه به طور کامل یا ناقص دربارهٔ جهان می‌دانیم گذر می‌کنیم و وارد آن چیزی می‌شویم که درباره‌اش هیچ نمی‌دانیم اما در تلاشیم حتی اگر شده نیم‌نگاهی به آن بیندازیم.

فهم چیزی که قبلاً به آن اندیشیده‌اند، ساده است؛ مشکل، فکرکردن به چیزی است برای اولین‌بار.

یک موج که بر سطح آب حرکت می‌کند بدون اینکه هیچ قطرهٔ آب مشخصی را با خود حمل کند، چیست؟ یک موج یک شیء نیست، به این معنا که از ماده‌ای که همه‌جا همراهش باشد ساخته نشده است. اتم‌های بدن ما هم به همین صورت مدام به بدن ما می‌پیوندند و از آن جدا می‌شوند. ما مثل موج‌ها و مثل تمام اشیاءِ دیگر جریانی از رویدادها هستیم: ما فرایندهایی هستیم که تا مدت کوتاهی یکنواخت می‌مانیم...

هرگز با پیمودن مسیرهای ازپیش‌مشخص‌شده به جای تازه‌ای نخواهید رسید.

هرچه تلسکوپ‌هایمان قوی‌تر می‌شود، چیزهای عجیب‌تر و غیرمنتظره‌تری در آسمان مشاهده می‌کنیم. هرچه دقیق‌تر به جزئیات ریز ماده می‌نگریم، چیزهای بیشتری از ساختار اعجاب‌انگیز آن کشف می‌کنیم. امروزه ما نه‌تنها مه‌بانگ را -انفجاری که ۱۴ میلیارد سال پیش، تمام کهکشان‌ها از آن به وجود آمدند- مشاهده می‌کنیم، بلکه در حال نگاه کردن به فراسوی آن هم هستیم. ما دریافته‌ایم که فضا خمیده است اما همچنین پیش‌بینی می‌کنیم که همین فضا از نوسانات ذرات کوانتومی ساخته شده است.

قائل‌شدن حدی برای بی‌نهایت، مضمونی رایج در فیزیک مدرن است. نسبیت خاص می‌تواند در کشف این نکته خلاصه شود که سرعت هر سیستم فیزیکی حد مشخصی دارد. مکانیک کوانتومی هم می‌تواند در کشف این نکته خلاصه شود که در مورد هر سیستم فیزیکی، میزان مشخصی اطلاعات وجود دارد. کمترین طول، LP یا همان طول پلانک است، بیشترین سرعت، c، سرعت نور است و میزان اطلاعات با ثابت پلانک، h، محدود می‌شود. موارد ذکرشده در جدول ۱۱-۱ خلاصه شده‌اند.

فرض کنید می‌خواهیم ناحیه‌ای بسیار بسیار بسیار کوچک از فضا را مشاهده کنیم. برای انجام این کار باید چیزی را در این ناحیه قرار دهیم تا نقطه‌ای که می‌خواهیم ببینیم معلوم باشد. فرض کنید ذره‌ای در آنجا قرار می‌دهیم. هایزنبرگ دریافته بود که شما نمی‌توانید مدت‌زمانی طولانی ذره‌ای را در نقطه‌ای از فضا قرار دهید. ذره خیلی زود خواهد گریخت. هرچه ناحیه‌ای که می‌خواهیم ذره را در آن قرار دهیم کوچک‌تر باشد، سرعت گریختن ذره بیشتر خواهد بود. (این اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است). هرچه سرعت گریختن ذره بیشتر باشد، انرژی بیشتری نیز خواهد داشت. حال بیایید نظریهٔ اینشتین را هم وارد ماجرا کنیم. انرژی باعث خمیدگی فضا می‌شود. هرچه انرژی بیشتر باشد فضا بیشتر خمیده خواهد شد. انرژی بسیار زیاد در ناحیه‌ای بسیار کوچک، فضا را چنان خم می‌کند که منجر به تشکیل سیاهچاله می‌شود. مانند همان چیزی که در ستاره‌های فروریخته اتفاق می‌افتد. اما اگر یک ذره به درون سیاهچاله فرو کشیده شود، دیگر نمی‌توانیم آن را ببینیم.

خلاصه اینکه مکانیک کوانتومی کشف سه مشخصهٔ هستی است: -      دانه‌ای‌بودن (شکل ۴-۸). اطلاعات فیزیکی موجود در یک سیستم، در هر موقعیتی متناهی است و با ثابت پلانک محدود می‌شود. -      عدم قطعیت. آینده را نمی‌توان دقیقاً بر حسب گذشته تعیین کرد. حتی ثابت‌ترین قواعد موجود در جهان هم از آمار به دست آمده‌اند. -      رابطه‌مندی. رویدادهای طبیعت همواره حاصل برهم‌کنش‌اند. تمام رویدادهای یک سیستم فیزیکی، در رابطه با سیستم فیزیکی دیگر رخ می‌دهند.

زمان آن فرا رسیده است که به نتیجه‌گیری بپردازیم و ببینیم مکانیک کوانتومی دقیقاً راجع به جهان به ما چه می‌گوید. چنین کاری دشوار است چرا که مکانیک کوانتومی به لحاظ مفهومی چندان واضح نیست و بر سر معنای حقیقی آن هنوز بحث است. اما این کار برای فهم واضح‌تر این نظریه و پیشروی در این کتاب لازم است. من معتقدم که مکانیک کوانتومی سه وجه از ماهیت چیزها را آشکار کرده است: دانه‌ای‌بودن و عدم قطعیت و ساختار رابطه‌مند جهان. بیایید هر یک را دقیق‌تر بررسی کنیم.

نحوهٔ پیوستن این دو مفهوم در نظریهٔ کوانتوم بسیار باشکوه و زیباست: معادلهٔ دیراک مقدارهایی را که یک متغیر می‌تواند داشته باشد معین می‌کند. اگر این معادله را برای انرژی خطوط میدان فارادی به کار ببریم به ما خواهد گفت که این انرژی نمی‌تواند هر مقداری داشته باشد بلکه فقط مقدارهایی مشخص خواهد داشت. از آنجا که انرژی میدان الکترومغناطیسی تنها می‌تواند مقادیر مشخصی داشته باشد، این میدان مانند مجموعه‌ای از بسته‌های انرژی رفتار خواهد کرد. این بسته‌ها دقیقاً همان کوانتوم‌های انرژی‌ای هستند که پلانک و اینشتین سی سال قبل کشف کرده بودند. اینجا حلقه بسته و داستان کامل می‌شود. معادله‌ای که دیراک نوشته است شهود اینشتین و پلانک یعنی ماهیت دانه‌ای و ذره‌ای نور را توضیح می‌دهد.

آن ابر احتمالی که یک الکترون را بین دو برهم‌کنش متوالی در بر گرفته، بسیار شبیه یک میدان است. میدان‌های ماکسول و فارادی هم به‌نوبهٔ خود از ذرات ساخته شده‌اند: یعنی از فوتون‌ها. همان‌طور که ذرات دقیقاً مانند میدان‌ها در فضا پراکنده‌اند، میدان‌ها هم مانند ذرات وارد برهم‌کنش می‌شوند. مفاهیم میدان‌ها و ذرات که ماکسول و فارادی آنها را جدا کرده بودند در مکانیک کوانتومی به هم می‌پیوندند.

میدان‌ها و ذرات یک چیز هستند دیراک کمی پس از تکمیل صورت‌بندی مکانیک کوانتوم دریافت که این نظریه می‌تواند مستقیماً در مورد میدان‌هایی مانند میدان الکترومغناطیسی به کار رود و همچنین با نظریهٔ نسبیت خاص سازگار شود (سازگارکردن این نظریه با نسبیت عام بسیار دشوارتر و موضوع اصلی این کتاب است). دیراک در حین انجام این کار، ساده‌سازی نهان و ژرفی را در توصیف ما از جهان کشف کرد: یگانگی مفهوم ذره‌ای که نیوتن به کار می‌برد و مفهوم میدانی که فارادی کشف کرده بود.

کلیسای کاتولیک تلاش کرد جلوی تأثیر لوکرتیوس را بگیرد: شورای کلیسایی فلورانس در دسامبر سال ۱۵۱۶، مطالعهٔ لوکرتیوس را در مدارس ممنوع اعلام کرد. در سال ۱۵۵۱ شورای ترنت کتاب او را ممنوع کرد. اما دیگر دیر شده بود. یک جهان‌بینی کامل که بنیادگرایی مسیحی در قرون وسطی آن را سرکوب کرده بود، داشت دوباره در اروپایی که چشمانش را از نو گشوده بود ظهور می‌کرد. آنچه در اروپا مطرح شده بود نه صرفاً عقلگرایی و ماده‌گرایی لوکرتیوس بود و نه صرفاً تأملات درخشان و باوقارش بر زیبایی طبیعت. قضیه بسیار مهم‌تر از این حرف‌ها بود: ساختار دقیق و پیچیدهٔ اندیشه‌ای دربارهٔ واقعیت. طرز فکری تازه که با طرز فکر مسلط در قرون وسطی به‌تمامی تفاوت داشت

اغلب با خود فکر می‌کنم که از دست رفتن تمامی آثار دموکریتوس بزرگ‌ترین تراژدی فکری‌ای است که در پی فروپاشی تمدن کلاسیک باستان رخ داد. به فهرست آثار او در پانویس نگاهی بیندازید. مشکل بتوانید با تصور آنچه بشر از تأملات گستردهٔ علمی دنیای باستان از دست داده، حسرت نخورید. هرچه برای ما باقی مانده از ارسطوست، و تفکر غربی خود را بر مبنای آثار ارسطو بازسازی کرده نه دموکریتوس. شاید اگر تمام آثار دموکریتوس باقی می‌ماند و تمام آثار ارسطو از بین می‌رفت، اوضاع تاریخ فکری تمدن ما دگرگون می‌شد..

در این مکانیک، هر شیء با یک فضای انتزاعی مشخص می‌شود و هیچ ویژگی منحصربه‌فردی ندارد مگر ویژگی‌های تغییرناپذیری مانند جرم. موقعیت مکانی، سرعت، اندازه‌حرکت زاویه‌ای، پتانسیل الکتریکی و مشخصات دیگر یک شیء تنها زمانی واقعیت می‌یابند که آن شیء با شیء دیگری برخورد -برهم‌کنش- می‌کند. نه‌تنها موقعیت مکانی یک شیء (همان‌طور که هایزنبرگ فهمیده بود) بلکه تمام ویژگی‌های متغیر آن از یک برهم‌کنش تا برهم‌کنش بعدی نامعین و غیرقابل‌توصیف‌اند. وجه رابطه‌مند نظریه، فراگیر و جهان‌شمول می‌شود. زمانی که یک شیء در خلال برهم‌کنشش با اشیاءِ دیگر ناگهان پدیدار می‌شود، متغیرهای فیزیکی‌اش (سرعت، انرژی، اندازه‌حرکت، اندازه‌حرکت زاویه‌ای) نمی‌توانند هر مقداری داشته باشند. دیراک دستورالعملی عمومی برای محاسبهٔ مقدارهایی که یک متغیر مجاز به داشتن آنهاست تهیه کرد. این مقدارها شبیه به طیف‌های نوری هستند که اتم‌ها منتشر می‌کنند.

بور بزرگ دربارهٔ او گفته است: «دیراک بین فیزیکدانان، ناب‌ترین روح را دارد.» آیا چشمان او در عکسش (شکل ۴-۴) چنین چیزی را نشان نمی‌دهد؟ فیزیک او مانند یک ترانه، شفاف و بکر است. در نگاه او جهان نه از اشیاء بلکه از یک ساختار انتزاعی ریاضی ساخته شده بود که نشان می‌داد اشیاء چگونه پدیدار می‌شوند و در زمان پدیدارشدن چگونه رفتار می‌کنند. اندیشهٔ او مواجهه‌ای جادویی میان منطق و شهود است. اینشتین که عمیقاً تحت تأثیر قرار گرفته بود دربارهٔ او گفت: «دیراک برای من مانند معمایی حل‌نشده است. رسیدن به تعادل میان نبوغ و جنون، آن هم در این مسیر سرگیجه‌آور، کاری هولناک و پرخطر است.» مکانیک کوانتومی دیراک همان نظریهٔ ریاضی‌ای است که امروزه هر مهندس و شیمی‌دان و زیست‌شناس مولکولی‌ای از آن استفاده می‌کند.

مدیر جلسه حرف او را قطع کرد و از او پرسید آیا نمی‌خواهد به سؤال مطرح‌شده جواب دهد. او کاملاً شگفت‌زده پاسخ داد: «سؤال؟ کدام سؤال؟ همکار من فقط یک ادعا را مطرح کرد.» دقیقاً همین‌قدر موشکاف و خرده‌گیر. تکبری در کار نبود: کسی که می‌توانست از دل طبیعت اسراری را کشف کند که هر کس دیگری را سردرگم می‌کرد، از فهم معانی ضمنی زبان ناتوان بود. هر عبارتی را فقط در معنای دقیق و تحت‌اللفظی آن می‌فهمید و نمی‌توانست معانی تلویحی آن را درک کند. [۲] با این حال، او بود که مکانیک کوانتومی را از مجموعهٔ به‌هم‌ریخته‌ای از شهودها، معادلات نیمه‌کاره، مباحث مبهم متافیزیکی و معادلاتی که درست کار می‌کردند اما غیرقابل‌فهم بودند، به یک ساختار معمارانهٔ کامل و شفاف و زیبا تبدیل کرد. زیبا اما بی‌اندازه انتزاعی.

پل آدرین موریس دیراک انگلیسی که به عقیدهٔ خیلی‌ها بزرگ‌ترین فیزیکدان قرن بیستم است پس از اینشتین. دیراک به‌رغم اعتبار علمی‌اش، شهرتی بسیار کمتر از اینشتین دارد. این گمنام بودن، از یک سو به انتزاع پیچیدهٔ علمش و از سوی دیگر به شخصیت ناخوشایندش ارتباط داشت. در جمع ساکت و به‌شدت درون‌گرا و در بیان احساساتش ناتوان بود، اغلب نمی‌توانست چهرهٔ آشنایانش را به یاد بیاورد، حتی از ادامهٔ یک مکالمهٔ معمولی ناتوان بود و سؤالات ساده را درست نمی‌فهمید، شبیه بیماران مبتلا به اوتیسم بود و شاید واقعاً در طیف مبتلایان به این وضع جا می‌گرفت. یکی از همکارانش در یکی از سخنرانی‌هایش به او گفت «من این فرمول را نمی‌فهمم». دیراک پس از سکوتی کوتاه، بی‌توجه، به کارش ادامه داد.

هایزنبرگ به جای مشخص‌کردن موقعیت و سرعت هر الکترون، جدولی از اعداد (ماتریس) درست کرد. این جدول‌ها را در هم ضرب و بر هم تقسیم کرد تا برهم‌کنش‌های ممکن یک الکترون را نشان دهد. و نتایج انگار که از چرتکهٔ جادویی یک جادوگر بیرون آمده باشند، دقیقاً با مشاهدات منطبق بودند. اینها اولین معادلات بنیادین مکانیک کوانتمی هستند. از اینجا به بعد، این معادلات فقط درست کار کرده‌اند و بس. اگرچه غیرممکن به نظر می‌رسد اما این معادلات تا امروز اشتباه نداشته‌اند. در نهایت یک جوان بیست‌وپنج‌سالهٔ دیگر کاری را که هایزنبرگ شروع کرده بود ادامه داد، نظریهٔ جدید را گرفت و به آن شکلی کلی و ریاضیاتی بخشید: