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

بيگ بنگ/ سردبير آمريکايي مجلات علمي، کلارا موسکوويتز(Clara Moskowitz) مطلب خوبي دارد که تعدادي از مهمترين سوالات پرسيده شده توسط شرکت کنندگان در کنفرانس فيزيک ذرات را بررسي کرده. اين نوع سوالات، پرسش هايي هستند که دانشمندان را درگير خود کرده و باعث مي شوند که چراغ هاي موسسات و آزمايشگاه ها در نقاط مختلف زمين، در نيمه شب ها، همچنان روشن باقي بماند. سوالات مربوطه، همگي مرتبط با فيزيک ذرات مي باشند. در اينجا به پنج سوال مهم ديگر اشاره مي کنيم که فيزيکدانان را در نيمه شب ها، بيدار نگه مي دارد. برخي از سوالات مربوط به مسائل معمولي اما مهم در کشفيات علمي هستند، و بقيه ي سوالات در مسير تقاطع علم فيزيک و علوم ديگر قرار گرفته اند و سوالات ديگري که ماهيت طبيعي واقعيات را کاوش مي کنند. ۱- آيا ما سرانجام راز مکانيک کوانتومي را خواهيم فهميد؟ ريچارد فايمن(فيزيکدان کوانتومي) معروف به شوخي گفته که «من با خيال راحت مي توانم بگويم که هيچکس مکانيک کوانتومي را نمي فهمد.» اوضاع از زمان فاينمن، اساسا زياد تغيير نکرده، اما اين مسئله بسيار بيشتر تحت فشار قرار گرفته است. اين به دليل آنست که هيچ نظريه ي علمي ديگري مانند مکانيک کوانتوم، ارائه نشده که تا به اين حد بين پيش بيني هاي موفقيت آميز و درک عميق آن، شکاف هاي بزرگي وجود داشته باشد. با شروع در دهه ۱۹۷۰، بعضي از عجيب و غريب ترين مفاهيم نظريه کوانتومي – که برجسته ترين آنها پديده “شبح واري” (به اصطلاح اينشتين) براي “درهم تنيدگي کوانتومي” مي باشد- توسط آزمايش هاي دقيق تاييد شده اند. جايزه نوبل سال ۲۰۱۲ براي استفاده از اين ويژگي عجيب(پديده ي شبح واري) در به دام انداختن يون ها و اتم ها، به صورت مشترک به دو فيزيکدان اهدا شد. و هنوز ما هيچ نشانه اي نداريم که در واقع هر يک از حقايق اساسي مکانيک کوانتومي شامل دوگانگي ذره-موج، درهم تنيدگي کوانتومي، تونل زني کوانتومي و يا آزمايش دوشکاف- چگونه اتفاق مي افتد، که به صورت بسيار ساده، انجام مي شوند و به گفته ي فاينمن، اين سادگي “يگانه راز مکانيک کوانتومي” مي باشد. جهان کوانتومي، همچنان به صورت سرزمين پر رمز و راز پريان باقي مي ماند که عقل سليم را به چالش مي کشاند و در جهان آن، هر چيزي ممکن است. دهه هاست که فيزيکدانان از مکانيک کوانتومي استفاده مي کنند، اما هيچکس به شکلي متقاعد کننده به ما نشان نداده که اين جهان از کجا نشئت مي گيرد. ممکن است که اينشتين در مورد ذات اصلي آزمايش ها به خطا رفته باشد، ولي در مورد واقعيت آنها، او درست مي گفته که احساس مي کند يک قوه ي تصميم گيري پريشان وجود دارد که جهان اسرارآميز کوانتوم را احاطه کرده است. شرح داستان تمثيلي گربه ي شرودينگر، باعث خنده ي هر کسي خواهد شد، اما اين خنديدن نمي تواند اندوه عميق فيزيکدانان را محو کند، يک احساس که موفق ترين تئوري آنها از طبيعت، در پايين ترين ترازهايش، تنها يک هاله ي مبهم از غبار مي باشد. از ارائه ي اولين تئوري کوانتومي تاکنون، تفسيرهاي جايگزين فراواني در مورد اينکه کليت آن چه معني دارد، وجود داشته است، از تفسير کلاسيک کپنهاگي گرفته تا تفسير ساده اما اسرارآميز چند-جهاني از هيو اورت. و ما هنوز به انتخاب يک تفسير برنده از ميان اين تفسير هاي جسورانه، نزديک نيستيم. شايد تنها مشکل ما تلاش براي بکارگيري اين حس مشترک است که يک جهان ديگر، اساسا چگونه است که پاسخ آن به ذهن حقير ما خطور نمي کند. شايد ما بايد همچنان اين مسير “خفه شو و محاسبه کن” را ادامه دهيم تا به يک نقطه ي توافق با نتايج آزمايش ها برسيم که تئوري هم، همان را به ما بدهد و از اين مفهوم دست بکشيم که “کليت آن به چه معناست؟”. چيزي که ما اکنون مي دانيم اين است که فيزيکدانان و فلاسفه در جستجوي يک واقعيت درست تحت قوانين مکانيک کوانتومي مي باشند، چه اين واقعيت وجود داشته باشد يا نه. ۲- آيا ما در نهايت خواهيم توانست گراويتون ها را شناسايي کنيم؟ گراويتون ها ذرات بنيادي اوليه فرضي هستند که واسطه ي توليد نيروي گرانشي در چارچوب نظريه ي ميدان کوانتومي مي باشند. وجود گراويتون ها براي جوش دادن ورقه ي بين مکانيک کوانتوم و نظريه ي نسبيت اينشتين، ضروري مي باشد، جستجويي که براي پنجاه سال همچنان در جريان بوده است. اين تلاش سلسله از معادلات و آزمايش هاي عالي بدون هيچ نوع پاسخ قطعي توليد کرده است(شايان ذکر است که جستجو براي گراويتون هاي تکي متفاوت از جستجو براي امواج گرانشي مي باشد، يک تلاش کاملا کلاسيک). ليگو(LIGO) و ليزا(LISA) تنها دو نمونه از پروژه هاي بلند پروازانه ي زيادي مي باشند که براي رسيدن به اين هدف طراحي شدند. تا به حال هيچ يک از اين تنظيمات آزمايشي قادر به تشخيص امواج گرانشي نبوده اند[اين مقاله قبل از آزمايشات اخير که در آن امواج گرانشي کشف شدند، نوشته شده و همانطور که اطلاع داريد دانشمندان در سپتامبر ۲۰۱۵ توانست امواج گرانشي ناشي از برخورد دو سياهچاله را شناسايي کنند]، اما در مورد گراويتون هاي تکي، مسئله به طور کامل، يک بازي ديگر مي باشد. در طول چند سال گذشته فريمن دايسون(Freeman Dyson)، توني راتمن(Tony Rothman) و استفان باخ(Stephen Bough) از ميان ديگر دانشمندان، مقالاتي نوشته شده که نشان مي دهد احتمالا شناسايي يک گراويتون تنها، غير ممکن است اگر هر چيز شبه فيزيکي در نظر گرفته شود. آنها روش هاي موجود را تجزيه و تحليل نمودند و نتيجه گرفتند که اگر در شناسايي گراويتون ها موفق شوند، مقياس دستگاه هاي آزمايش در اين روش ها، به اندازه هاي غير واقعي نزيک به صفر مي رسد. بنابراين جاذبه ممکن است مانند دما يا فشار ، يک خصوصيت جسمي آماري، باقي بماند، که غير قابل تقليل به خواص ذاتي ذرات باشد. در صورتي که اين نتيجه به واقع صحيح باشد، ممکن است براي هميشه، يک ديوار آهني از بي خبري بين جهان فيزيک کوانتوم و جهان فيزيک کلاسيک، به وجود آيد. اين احتمال وجود دارد که اين مسئله ديوانه کننده باشد و حتي لازم است که فيزيکدانان را از رؤياي نسبتا معقولِ وحدت نيروهاي شناخته شده ي طبيعت، بيدار نمود. ۳- آيا ما سرانجام راز ظهوريافتگي را کشف خواهيم کرد؟ در سال ۱۹۷۲، فيزيکدان برنده ي جايزه نوبل و با استعداد اما “بدخلق”، فيليپ اندرسون(Philip Anderson) يک ترقه روشن کرد و آنرا به زيرزمين معبد فيزيک انداخت. اندرسون در يک مقاله ي علمي با عنوان “بيشتر متفاوت است” تاکيد نمود که نوع تفاوت بين درک رفتار ذرات منفرد-چيزي که فيزيک به شکلي گسترده در آن سرآمد است- و يک مجموعه از ذرات، فقط از ديد تفاوت کميتي نمي باشد بلکه از نظر کيفيتي نيز متفاوتند. اندرسون در مقاله اش به پديده ي کيهاني ظهوريافتگي(Emergence) متوسل شده بود، يک ارتباط که اغلب به شکلي آزادانه در اطراف در جريان است ولي بسيار واقعي تر مي باشد. به عبارت ساده، ظهوريافتگي به اين واقعيت اشاره دارد که رفتار گروهي از موجوديت ها را نمي توان از رفتار فردي يکي از آنها به تنهايي، پيش بيني نمود. 474214پديده ي ظهوريافتگي بر جهان ما حکم مي راند، از خواص فلزات گرفته تا لانه موريانه ها، دسته هاي پرندگان و اقتصاد جهاني. به يک معنا، تمام شيمي، زيست شناسي و جامعه شناسي يک سلسله مراتب تجمعي از رفتار ظهوريافتگي مي باشند. علم فيزيک در توضيح اين مکانيسم مرکزي و عميق در کارکرد جهان طبيعي، ناکام است. در واقع همچنان که اندرسون مي گويد، فيزيک نمي تواند ظهوريافتگي را حتي در محدوده ي ناچيز خود، توضيح دهد، به عنوان مثال در زمينه ابررسانايي. هشتاد سال پيش، پل ديراک(Paul Dirac) اشاره کرد که قوانين فيزيک که از اين پس درک مي شوند، مي تواند “بيشتر فيزيک و تمام شيمي” را توضيح دهند. و با اين حال ما هنوز چگونگي جهش منطقي رفتار يک کوارک را به رفتار يک دي.ان.اي(DNA) استاندارد که متشکل از توده ي بسياري از کوارک ها مي باشد، درک نکرده ايم. درک رفتار پديده ي ظهوريافتگي ممکن است تنها هدف مهم فيزيکدانان باشد اگر آنها بخواهند چگونگي ارتباط فيزيک با علوم ديگر و با جوامع انساني را درک کند. بدون درک ظهوريافتگي، علم فيزيک براي استفاده هاي کوچک و بزرگ، يک دانش کاربردي اما تقريبا نامفهوم باقي مي ماند. ۴- آيا ما خواهيم توانست فيزيک ذرات را زنده نگه داريم؟ اين سوال به همان اندازه که فيزيکي مي باشد، اجتماعي نيز هست و همچنين سوالي است که فيزيکدانان ذرات را درگير کرده و بر مي انگيزاند. سال ۲۰۱۲ در محفل بازخواني کتابها در نيويورک، استيون واينبرگ(Steven Weinberg) اشاره کرد که بزرگترين کشف در LHC [برخورد دهنده ي هادروني بزرگ در سازمان تحقيقاتي سرن در نزديکي ژنو سوئيس]، احتمالا کشف بوزون هيگز نمي باشد اما در واقع، يک چيزي غير منتظره مي باشد، چيزي که واقعا دانش ما را از جهان به صورت مدل استاندارد اينشتين، رد مي کند. براي اين کشف ما احتمالا نياز به ترازهاي بالاتر انرژي داريم، که به نوبه ي خود برخورد هاي ذرات بزرگتر را ممکن مي سازد که احتمالا ده ها ميليارد دلار هزينه دارد. مشکل بدتر اين است که انجام اين نوع از آزمايشات فيزيکي با استفاده از تجهيزات ارزان و تيم هاي کوچک، غيرممکن مي باشد. LHCدر مواجهه با رکود اقتصادي، بن بست سياسي و پذيرش عمومي گسترده ي شبه علم [بجاي علم]، باعث ايجاد يک نبرد فوق العاده دشوار براي فيزيکدانان ذرات خواهد شد که در انتظار حمايت از آزمايش هاي فيزيک چند ميليارد دلاري بعدي هستند. سابقه اي طولاني در شکست پروژه هايي مانند SSC [پروژه ي سوپر برخورد دهنده ي ابررسانا، يک مجموعه شتاب دهنده ي ذرات که در تگزاس در حال ساخت بود و در سال ۱۹۹۳ ادامه ي آن به دليل مشکلات بودجه، متوقف گرديد] و حتي پروژه هاي موفق مانند تلسکوپ فضايي هابل نشان مي دهد که براي به موفقيت رساندن تمام مسير يک آزمايش بزرگ فيزيکي، نياز است تا ائتلاف سازماني دقيق، منابع اقتصادي مطلوب و بينش سياسي در يک جهت قرار بگيرند. زماني که اين مسير بيش از تمامي اوقات، ساده و بدون مانع به نظر مي رسد، اما در واقع فقط يک آيتم تنزل مقام در کنگره ي بودجه، مي تواند تمام چنين روياهايي را به باد دهد. عدم حمايت از پروژه هاي بزرگ فيزيکي در فيزيک ذرات و عدم امکان انجام اين پروژه ها در مقياس هاي کوچک تجاري، به اين معناست که يک نسل کامل از فيزيکدانان ذرات قادر به دنبال کردن بزرگترين رمز و رازهاي زمينه علمي خود نمي باشند. اينگونه تصور مي گردد که بايد فعالان اين حوزه ي علمي را همواره درگير کار، تحقيق و بررسي نگه داشت. ۵- آيا فيزيک به ما کمک خواهد کرد ماهيت آگاهي را درک کنيم؟ اين سوالي است که تا حدودي مربوط به سوال ۳ در بالا مي شود اما اهميت محتوي آن باعث مي شود که سزاوار يک مبحث جداگانه باشد. فراتر از درک چيزهايي مانند منشاء جهان هستي، درک منشا آگاهي زياد، اجازه مي دهد تا ما منشا جهان هستي را که به واقع مهمترين سوال در علم محسوب مي گردد، درک کنيم. ما به طور قطع يک راه طولاني از تلاش و تحقيق پيش رو داريم تا به پاسخ اين سوال برسيم، ولي علوم اعصاب، يک رشته جوان و پويا مي باشد که پر از فرصت هيجان انگيز است. سوال فيزيکي در مورد مغز که ما مي خواهيم به پاسخ دهيم: آيا کم و بيش، شواهد مستقيمي از اصول مکانيک کوانتومي درگير در کار مغز در ترازهاي مختلف، از سلول هاي عصبي تا مرحله ي رفتار، وجود دارد. به يک معنا، اين سوال مي پرسد که دقيقا چه نوع اتصالاتي هستند که جهان ميکروسکوپي را به جهان بزرگ مقياس، ارتباط مي دهد، مسيري از تحقيقات که به نقطه ي آغاز علم بر مي گردد! L-2-1500x630دست کم تعدادي از دانشمندان براي پاسخ به اين سوال، تلاش نموده اند. چند سال پيش راجر پنروز(Roger Penrose) و استوارت همروف(Stuart Hammerof) پيشنهاد کردند که تغيير سامانه هاي پروتئيني -که ميکروتوبول(microtubules) گفته مي شود -در مغز، مي تواند به عنوان يک مثال مستقيم از برهم نهي درهم تنيده ي ذرات بنيادي، باشد. به هر حال اين رساله ي بحث برانگيز، يک ضربه ي بزرگ از کار مکس تگمارک(Max Tegmark) دريافت نمود، که وي نشان داد که در دماهاي معمولي، هر نوع درهم تنيدگي ذرات در مغز، تحت واهمدوسي* بسيار سريع قرار دارد، يک نوع استخراج ميانگين که اساسا اتصال خصوصيات بيوشيميايي حالت هاي قابل مشاهده ي درهم تنيدگي را قطع مي کند. اما اين سوال ظاهرا لاين حل مي باشد: کارهاي ديگر، ارتباطي بين پديده ي برهم نهي(برهم نهي درهم تنيده ي ذرات بنيادي) و پديده هاي مهمي مانند فتوسنتز و انتقال الکترون در پروتئين ها را نشان داده اند. شايد يک روز ما بتوانم چگونگي ماهيّت حافظه را در ترازهاي مولکولي در نتيجه ي پديده ي درهم تنيدگي، توضيح دهيم. يا شايد توضيح آگاهي، اساسا غير ممکن باشد، همچنانکه ظاهرا برخي از فيزيکدانان مانند ادوارد ويتن(Edward Witten) اينگونه فکر مي کنند. در هر صورت، هيچ شکي نيست که مطالعه ي دقيق ارتباط بين فيزيک و آگاهي، يکي از نخستين معماهايي است که فيزيکدانان همچنان در مورد آن روياپردازي مي کنند. • همدوسي و واهمدوسي: وقتي که دو موج کوانتومي برهم منطبق شده باشند، همانند يک موج رفتار مي کنند و گفته مي شود که آنها همدوس مي باشند، فرايندي که بوسيله آن، دو موج همدوس دوباره به حالت هاي اوليه خود برمي گردند و هويت هاي انفرادي اوليه خود را دوباره به دست مي آورند، واهمدوسي ناميده مي شود. span id="footercontent"> همراهان عزيز، آخرين خبر را بر روي بسترهاي زير دنبال کنيد: آخرين خبر در سروش http://sapp.ir/akharinkhabar آخرين خبر در ايتا https://eitaa.com/joinchat/88211456C878f9966e5 آخرين خبر در بله https://bale.ai/invite/#/join/MTIwZmMyZT آخرين خبر در گپ https://gap.im/akharinkhabar