بریده‌هایی از کتاب واقعیت ناپیدا

کمی بعد با نظریه‌ای پریشان‌کننده پیدایَش می‌شود: توصیفی بنیادین از حرکت ذرات که در آن ذره‌ها نه با مکان‌شان در همهٔ لحظات، بلکه فقط با مکان‌شان در لحظاتی خاص شناخته می‌شوند: لحظاتی که در آنها با چیزی دیگر برهم‌کنش می‌کنند. این دومین سنگ‌بنای کوانتوم و دشوارترین کلید فهم آن است: وجه رابطه‌مند چیزها. الکترون‌ها همیشه وجود ندارند. آنها صرفاً زمانی وجود دارند که در حال برهم‌کنش‌اند و تنها جایی پدیدار می‌شوند که با چیز دیگری برخورد می‌کنند. جهش‌های کوانتومی از یک مدار به مداری دیگر، به واقعیت آنها شکل می‌دهد: یک الکترون ترکیبی است از جهش‌هایی بین یک برهم‌کنش و برهم‌کنشی دیگر. تا وقتی چیزی کاری به کارشان نداشته باشد، آنها هیچ‌جا نیستند.

چه می‌شود اگر الکترون فقط در زمان برهم‌کنش یعنی زمانی که با چیزی دیگر برخورد می‌کند خود را پدیدار کند و بین یک برهم‌کنش و برهم‌کنش بعدی، هیچ جای مشخصی نداشته باشد؟ چه می‌شود اگر فقط اشیاءِ مادی بزرگ نیازمند داشتن جا و مکانی مشخص باشند، اشیاءِ سنگین و بزرگ مانند مردی که چندی پیش مانند روحی در تاریکی از اینجا عبور کرد و در دل تاریکی شب محو شد...؟ فقط یک جوان در میانهٔ دههٔ سوم زندگی خود می‌تواند گزاره‌هایی این‌چنین هذیانی را جدی بگیرد. باید بیست‌وچندساله باشید تا باور کنید اینها می‌توانند به نظریه‌ای دربارهٔ جهان تبدیل شوند. و احتمالاً باید همین‌قدر جوان باشید که بهتر از هر کس دیگری ساختار ژرف طبیعت را برای اولین‌بار دریابید. هم اینشتین زمانی که دریافت زمان برای همه یکسان نمی‌گذرد در اواسط دههٔ بیست زندگی‌اش بود، هم هایزنبرگ در آن شب کپنهاگ. شاید دیگر درست نباشد که به شهودهایمان پس از سی‌سالگی اعتماد کنیم... هایزنبرگ غرق در شور و هیجان به خانه بازمی‌گردد و مشغول محاسبات می‌شود.

هایزنبرگ با خود فکر می‌کند «مشخص است» که مرد واقعاً ناپدید و دوباره پدیدار نمی‌شود: می‌تواند در ذهنش مسیر مرد از یک چراغ تا چراغ دیگر را بازسازی کند. هرچه باشد آن مرد یک شیء مادی و بزرگ و سنگین است و اشیاءِ سنگین به‌سادگی ناپدید و دوباره پدیدار نمی‌شوند... اوه! این اشیاءِ مادی بزرگ و سنگین ناپدید و پدیدار نمی‌شوند... اما الکترون‌ها چطور؟ نوری ذهنش را روشن می‌کند. چرا باید اشیاءِ کوچکی چون الکترون‌ها مانند اشیاءِ بزرگ رفتار کنند؟ چه می‌شد اگر الکترون‌ها می‌توانستند ناپدید و دوباره پدیدار شوند؟ چه می‌شود اگر اینها همان جهش‌های کوانتومی رازآمیزی باشند که به ساختار طیف‌های اتمی شکل می‌دهند؟ چه می‌شود اگر الکترون‌ها در زمان بین دو برهم‌کنش متوالی با دو چیز مختلف، به معنای دقیق کلمه هیچ‌کجا نباشند؟

ورنر هایزنبرگ در بیست‌وپنج‌سالگی یعنی درست همان سنی که اینشتین سه مقالهٔ بزرگش را نوشت، معادلات مکانیک کوانتومی را به دست آورد. ایده‌های او برای انجام این کار سرسام‌آور بود. یک شب در پارک پشت مؤسسهٔ فیزیک کپنهاگ، ایدهٔ اصلی به او الهام می‌شود. ورنر جوان غرق در فکر مشغول قدم‌زدن در پارک است. این منطقه واقعاً تاریک است. ما در سال ۱۹۲۵ هستیم. تک‌وتوک چراغ‌هایی در خیابان هستند که اینجا و آنجا جزیره‌هایی از نور ساخته‌اند. ورطه‌های بزرگِ تاریکی این جزیره‌های نور را از هم جدا کرده است. ناگهان هایزنبرگ فردی را می‌بیند که در حال عبور است. درواقع او عبور آن فرد را نمی‌بیند: فقط می‌بیند که آن فرد در نور چراغ پدیدار می‌شود و دوباره در دل تاریکی ناپدید می‌شود و دوباره زیر نور بعدی پدیدار می‌شود و باز هم در دل تاریکی ناپدید می‌شود و همین‌طور از یک جزیرهٔ نور به جزیره‌ای دیگر می‌رود تا در نهایت در دل شب محو می‌شود.

دانشمندان تازه متقاعد شده بودند که نور، موجی در میدان الکترومغناطیسی است: چگونه یک موج می‌تواند از ذرات ساخته شده باشد؟ مهم‌ترین فیزیکدانان آن روز آلمان در نامه‌ای که به وزارت علوم آلمان نوشتند پیشنهاد کردند که برای اینشتین یک کرسی استادی در دانشگاه برلین در نظر گرفته شود و گفتند که ذهن این مرد جوان چنان درخشان است که می‌توان برخی گزافه‌گویی‌هایش از جمله ایدهٔ فوتون‌ها را «بر او بخشید». چند سال بعد همین دانشمندان به خاطر کشف وجود فوتون‌ها جایزهٔ نوبل را به او اهدا کردند. نور مانند رگبار ملایم تگرگ بر یک سطح می‌بارد. برای فهم اینکه نور چطور همزمان هم می‌تواند یک موج الکترومغناطیسی باشد هم گروهی از فوتون‌ها، به ابداع کل نظریهٔ مکانیک کوانتومی نیاز بود. اما خشت اول آن گذاشته شده بود: همهٔ چیزها اساساً دانه‌بندی شده‌اند، از جمله نور.

این سطرهای ساده و روشن سند واقعی تولد نظریهٔ کوانتوم است. به آن گزارهٔ درخشان ابتدایی یعنی «فکر می‌کنم...» توجه کنید: این گزاره یادآور تردیدهای فارادی، تردیدهای نیوتن یا عدم اطمینان داروین در صفحات آغازین منشأ انواع است. نابغهٔ حقیقی از حساسیت گام‌هایی که برمی‌دارد آگاه است و همواره تردید دارد... رابطهٔ روشنی میان پژوهش اینشتین در مورد حرکت براونی (که در فصل اول شرح داده شد) و پژوهش او در مورد کوانتوم‌های نور که هر دو در سال ۱۹۰۵ تکمیل شدند، وجود دارد. اینشتین ابتدا فرضیهٔ اتمی یعنی ساختار دانه‌ای ماده را اثبات کرد. سپس این فرضیه را به نور هم بسط داد: نور هم باید ساختاری دانه‌ای داشته باشد. همکاران اینشتین در ابتدا این ایدهٔ او را که نور باید از فوتون‌ها ساخته شده باشد، چیزی بیش از یک سرکشی جوانانه در نظر نگرفتند. همه او را به‌خاطر نظریهٔ نسبیت تشویق می‌کردند اما فوتون‌ها را بیش از اندازه عجیب و بی‌ربط می‌دانستند.

فوتون‌ها ذرات یا دانه‌های نورند. «کوانتوم» های نور. اینشتین در مقاله‌اش می‌نویسد: فکر می‌کنم مشاهدات مربوط به تابش جسم سیاه، پدیدهٔ فلورسنس، تولید تابش‌های کاتدی به‌وسیلهٔ نور فرابنفش و دیگر پدیده‌های مرتبط با انتشار و دگرگونی نور، با این فرض که انرژی نور به‌شکلی گسسته در فضا توزیع می‌شود، بیشتر قابل فهم‌اند. طبق این فرض، انرژیِ پرتو نوری که از یک منبع نقطه‌ای بیرون می‌آید، به‌شکلی پیوسته در فضا پیش نمی‌رود و منتشر نمی‌شود بلکه از تعداد محدودی از «کوانتوم‌های انرژی» تشکیل شده که: جای مشخصی در فضا دارند، بدون اینکه تجزیه شوند حرکت می‌کنند و فقط در قالب یک واحد کامل تولید و جذب می‌شوند. [۱]

به همین ترتیب، اگر نوری شدید باشد -تعداد بسته‌های انرژی‌اش زیاد باشد- اما اندازهٔ دانه‌هایش بیش از حد کوچک باشد -فرکانسش پایین باشد- نمی‌تواند الکترون‌ها را از درون اتم‌هایشان بیرون بیندازد. با این اوصاف روشن می‌شود که چرا رنگ نور تعیین‌کنندهٔ رخ دادن یا ندادن اثر فوتوالکتریک است نه شدت نور. برای این استدلال ساده، اینشتین برندهٔ نوبل فیزیک شد. فهم چیزی که قبلاً به آن اندیشیده‌اند، ساده است؛ مشکل، فکرکردن به چیزی است برای اولین‌بار. امروزه ما این بسته‌های انرژی را فوتون می‌نامیم که از کلمهٔ یونانی نور (φως) گرفته شده است.

تصور کنید که نور به شکل دانه‌های انرژی بر چیزها می‌تابد. یک الکترون تنها زمانی از اتم خود بیرون رانده می‌شود که دانه‌ای که به آن برخورد می‌کند انرژی زیادی داشته باشد. آنچه اهمیت دارد انرژی هر دانه است نه تعداد دانه‌ها. اگر همان‌طور که در فرضیهٔ پلانک آمده، انرژی هر دانه به‌وسیلهٔ فرکانس معین شود، پدیدهٔ بالا زمانی رخ خواهد داد که فرکانس نور به اندازهٔ کافی بالا باشد یعنی فارغ از مقدار کلی انرژی نور، باید هر دانه به‌تنهایی انرژیِ کافی داشته باشد. دقیقاً مثل زمانی که تگرگ می‌بارد: آنچه تعیین می‌کند که بدنهٔ ماشین شما فرو خواهد رفت یا نه، اندازهٔ هر تگرگ است نه تعداد تگرگ‌هایی که از آسمان می‌بارد. ممکن است تعداد تگرگ‌هایی که از آسمان می‌بارد خیلی زیاد باشد اما به این دلیل که تمام آنها کوچک هستند، هیچ آسیبی به ماشین شما وارد نشود.

اما چیز عجیبی اینجا هست: منطقی این است که اگر انرژی نور ناچیز باشد یعنی اگر نور ضعیف باشد، اتفاقی که در بالا گفته شد رخ ندهد. یعنی تنها زمانی این اتفاق بیفتد که انرژی نور کافی است یا نور قوی است. اما ماجرا این‌گونه نیست: آنچه در عمل می‌بینیم این است که این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که فرکانس نور بالا باشد و اگر فرکانس پایین باشد این اتفاق نخواهد افتاد. یعنی رخ دادن یا ندادن این پدیده به رنگ نور (فرکانس) بستگی دارد و نه به‌شدت نور (انرژی). در فیزیک استاندارد راهی برای توضیح این پدیده وجود ندارد. اینشتین ایدهٔ پلانک یعنی بسته‌های انرژی‌ای را که اندازه‌شان وابسته به فرکانس است بررسی کرد و دریافت که اگر این بسته‌ها واقعی باشند، این پدیده قابل توضیح است. فهمیدن دلیلش سخت نیست.

اینشتین در این مقاله استدلال کرد که نور حقیقتاً از دانه‌هایی کوچک یعنی ذرات نور ساخته شده است. او بر پدیده‌ای متمرکز شد که آن اواخر در آزمایش‌ها مشاهده شده بود: اثر فوتوالکتریک. موادی وجود دارند که وقتی در معرض تابش نور قرار می‌گیرند، جریان الکتریکی ضعیفی تولید می‌کنند. یعنی زمانی که نور بر آنها می‌تابد، از خود الکترون ساطع می‌کنند. مثلاً، امروزه ما از آنها در ساخت سلول‌های فوتوالکتریکی استفاده می‌کنیم که یک در را، با نزدیک‌شدن ما به آن، باز می‌کنند یا در ساخت سلول‌هایی که در سنسورها هستند. این اتفاق چیز عجیبی نیست چون نور حامل انرژی است (مثلاً نور ما را گرم می‌کند) و این انرژی باعث می‌شود که الکترون‌ها از درون اتم‌های خود «بیرون بپرند». این انرژی الکترون‌ها را به جلو می‌راند.

آناکسیمندر در طول چند سال فهمید زمین در آسمان شناور است، آسمان تا زیر زمین کشیده شده است، آب باران از تبخیر آب‌های روی زمین به وجود می‌آید، چیزهای مختلف و متنوع در جهان همه از یک جزء ساده -که او آپایرون می‌نامید- تشکیل شده‌اند، حیوانات و گیاهان تطور و دگرگشت می‌یابند و خود را با محیطشان سازگار می‌کنند، و انسان باید امتداد زیست‌جهان پیش از خود بوده باشد. همان‌طور که مشخص است او شیوه‌ای از فهم جهان را بنیان گذاشت که امروز هم، بنیان فهم ما از جهان است.

میلتوس با قرارگیری میان تمدن درحال‌ظهور یونانی و امپراتوری‌های باستانی در بین‌النهرین و مصر، با تغذیه از دانش باستانی آنها در کتابخانه‌ها و در فضای آزاد سیاسی‌ای که مشخصاً یونانی بود، با فضایی اجتماعی که از قصرهای پادشاهی و طبقهٔ قدرتمند روحانیون خالی بود و با شهروندانی که هر یک شخصاً بر سر سرنوشت خود در میدان‌ها و بازارها به بحث می‌نشستند، اولین جایی بود که بشر به‌شکلی جمعی قوانینش را خودش تعیین کرد، اولین جایی بود که پارلمان در تاریخ بشر به وجود آمد -مجلسی که پانیونیومنامیده می‌شد و محل ملاقات نمایندگان اتحاد ایونی بود- و در نهایت اولین جایی بود که بشر به این مسأله که صرفاً از طریق خدایان می‌توان جهان را توضیح داد و فهمید، شک کرد. از طریق بحث، هم می‌توان به بهترین تصمیم برای جامعه رسید و هم می‌توان جهان را درک کرد. این بزرگ‌ترین میراث میلتوس و گاهوارهٔ فلسفه، علوم تجربی، تاریخ و جغرافیا بود. اغراق نیست اگر بگوییم که کل سنت علمی و فلسفی مدیترانه‌ای و مدرن در تأملات متفکران میلتوس قرن ششم قبل از میلاد ریشه دارد. [۱]

نظریهٔ گرانش کوانتومی حلقه یا نظریهٔ حلقه، نسبیت عام و مکانیک کوانتومی را به شیوه‌ای تقریباً محافظه‌کارانه با هم تلفیق می‌کند چرا که از هیچ فرضیهٔ تازه‌ای غیر از فرضیاتی که خود این دو نظریه قبلاً برای سازگارشدن با هم ارائه داده‌اند، استفاده نمی‌کند. اما همین تلفیق هم پیامدهایی رادیکال دارد.

در جهانی که مکانیک کوانتومی توصیف می‌کند هیچ‌چیز واقعی نیست مگر روابط بین سیستم‌های فیزیکی. این اشیاء نیستند که وارد رابطه می‌شوند، برعکس، این روابط هستند که مفهوم «شیء» را می‌سازند. جهان مکانیک کوانتومی جهان اشیاء نیست، جهان رویدادهاست. وقوع رویدادهای اولیه باعث ساخته‌شدن اشیاء می‌شود: همان‌طور که نلسون گودمنِ فیلسوف در عبارتی زیبا در دههٔ پنجاه نوشت: «یک شیء فرایندی یکنواخت است.»

یک الکترون ترکیبی است از جهش‌هایی بین یک برهم‌کنش و برهم‌کنشی دیگر.

نور مانند رگبار ملایم تگرگ بر یک سطح می‌بارد.

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..

ارنست ماخ که تأثیرش بر اینشتین زبانزد است، فیلسوفی بود که بر مشکلات مفهومی ایدهٔ نیوتنی فضا انگشت نهاد. این همان ماخی بود که معتقد بود اتم‌ها وجود ندارند (یک مثال خوب برای اینکه چگونه یک نفر می‌تواند از یک جنبه کوته‌نظر و از جنبه‌ای دیگر تیزبین باشد).

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... بستن مدارس باستانی، مانند مدرسهٔ آتن و اسکندریه، و نابودی نوشته‌های ناسازگار -به شکلی گسترده و نظام‌مند- به طبیعت‌گرایی دموکریتوس مجال نداد. این سرکوب که از زمان امپراتور تئودوسیوس در سال ۳۹۱‌۳۹۰ آغاز شد، افلاطون و ارسطوی کافر اما معتقد به جاودانگیِ روح و وجود یک خالق اولیه را جایز شمرد اما دموکریتوس را نه.