بسم الله الرحمن الرحیم
نخستین جلسهی سال سومِ حلقهی فلسفه و فیزیک، پیشنشستی پیرامون پیشفرضهای فیزیک، دکتر روزبه توسرکانی، تالار پرتوی، دانشکدهی فیزیک دانشگاه صنعتی شریف، ۱۳۹۸/۹/۱۳
این پیادهسازی، خلاصهای از صوت جلسه است.
۱- مقدمه
عنوان این سخنرانی پیش نشست دربارهی پیشفرضهای فلسفی فیزیک است. در این عنوان دو تا پیشوند پیش وجود دارد. هدف از این جلسه این هست که جلسه سخنران ای انجام بدهم تا حسی از فضای جمع پیدا کنم. این شد که این پیش نشست که ممکن هست این را القا کند که نشستهای دیگر ای هم ممکن است باشد. خلاصه ممکن هم هست که جلسه دیگری وجود نداشته باشد. قرار شد این جلسات را برگزار کنیم که شاید جرقهای بخورد و یک موضوعی مشترک موردعلاقه پیدا کنیم و جلسات را بر اساس آن ادامه بدهیم.
۲- پیشفرضها
اما دربارهی پیشفرض. من مطمئن نیستم چقدر فلسفهی علم میدانید یا به مبانی فیزیک به صورت عمیق فکر کردهاید. امیدوارم بتوانم شما را کمی به فکر بیندازم. یک نکتهای که قبل از شروع بحث میخواهم بگویم این است که هیچکس در این دنیا در هیچ آکادمیای دوست ندارد که به او بگویید که شما پیشفرض دارید. به یک فیزیکدان بگویید پیشفرضهای فیزیک چیستاند میگوید که ما پیشفرضی نداریم. پیشفرضی هم داریم میتوانیم زیر سؤال ببریم. یعنی تعهدی به هیچ فرضی نداریم. کما اینکه در تاریخ فیزیک به نظر میآید که بارها پیشفرضها را جابجا کردهایم. من یکبار به یکی از دوستان فلسفهی تحلیلی خود در پژوهشهای دانشهای بنیادی در موسسهی تحقیقاتی گفتم که بالاخره فلسفهی تحلیلی هم پیشفرضهایی دارد. چنان با قاطعیت گفت که ابداً چنین نیست و ما هیچ پیشفرضی نداریم. دلم میخواست همانجا ده تا مثال برای ایشان بیاورم. شما بالاخره چیزهایی در ذهنتان هست. مثلاً شناخت چگونه به دست میآید. چه چیزهایی قابل شناخت هستند یا نیستند. درست هست که میتوانیم بگوییم این هستیها را هم میتوانیم زیر سؤال ببریم. ولی الان همین فلسفهی تحلیلی موجود برخوردش با زبان یا برخوردش با شیوهی استدلال همهجا چیزهای مشترکی در قالب پیشفرض دارند. خلاصه این که امکان زیر سؤال بردن پیشفرض معنیاش این نیست که شما پیشفرض ندارید. من در این جلسه یک سری پیشفرض میگویم. امیدوارم که شما به این نتیجه برسید که دهها شاید صدها پیشفرض برای فیزیک وجود دارد. من امیدم این هست که در این جلسه شما را به اینجا برسانم که ردهبندی این پیشفرضها فرایند مهمی هست. نه فقط به لحاظ فلسفی. از نظر تئوری و برای علم فیزیک. شاید اگر خیلی موفق باشم شما را به این نتیجه برسانم که بعضی از مشکلاتی که در فیزیک به وجود آمده نتیجهی بررسی نکردن پیشفرضها بهصورت منظم هست. شاید بگویم که انگیزهی این سخنرانی اینطور شروع شد که داشتم این سخنرانی را آماده میکردم شروع کردم به سرچ کردند در گوگل که پیشفرضهای فیزیک را پیدا کنم. فکر میکردم که چندین کتاب پیدا خواهم کرد که از آنجا لیست مفصلتری پیدا کنم که تکمیل کنم. باور کنید چند روز میگشتم یک مقالهی درستوحسابی که در مورد پیشفرضهای فیزیک یک چیز منسجم نوشته باشد چیزی پیدا نکردم. چند تا کار هم که پیدا کردم بیشتر کار فیلسوفها بود که چندان به درد نمیخورد. من کمی پرکتیکال تر نگاه میکنم. یک پیشفرضی که منجر به نتایج عملی بشود. اتفاقاً عنوان پیشفرضهای فلسفی فیزیک برای سخنرانی من یکم گمراهکننده هست. من خاطرم نمیآید گفته باشم پیشفرض فلسفی. گفتم پیشفرضها. برای این که اتفاقاً میخواهم بگویم که کمی تأمل کنید قبل از این که به پیشفرضهای متافیزیکی یا اپیستمولوژیک حمله کنید. خلاصه شاید چیزی که در این سخنرانی میخواهم بگویم این هست که این واژهی فلسفی شاید جای مناسبی ننشسته است.
خاطره تصادف
خاطرهای میخواهم تعریف کنم. متأسفانه کمی خاطرهی بدی هست. شاید سالهاست در دانشگاه شریف نبودهام میخواستم بیایم اینجا این خاطرهی بد به ذهنم رسید. ولی نتیجهی مهمی دارد و میخواهم از آن استفادههایی کنم. بنابراین به قسمت اصلی آن دقت کنید. بعداً نگویید سو استفاده از یک خاطرهی واقعی شده است. من زمانی که دانشجوی دکترا بودم در یک سفری که رفته بودیم برای کنفرانس دانشجویی در اهواز اتوبوس موقع بازگشت تصادف کرد. متأسفانه تعدادی از دانشجوها کشته شدند. من واضحاً از جمله بازماندهها هستم. مریم میرزاخانی در آن اتوبوس بود و هیچ آسیبی ندیده بود. که من هر وقت به یاد آن داستان میافتم به یاد از دست دادن ایشان هم میافتم. بگذریم. من میخواهم یک تجربهی شخصی را از آن تصادف بگویم که به نظرم در آن نکتهای فلسفی وجود دارد. من در اتوبوس تازه خوابم برده بود که این حادثه رخ داد. بعد از حادثه خیلی از این اتفاقات را برای خودم بازسازی کردم. از شواهد بازسازی کردم که مثلاً این اتفاقات برای من افتاده است. تجربهی من این بود که من یک لحظه از خواب بیدار شدم و دیدم که بالای سر من آسمان هست. تصادف به این صورت هست که شما دچار تراما میشوید. من سرم ضربه خورده بود. کلاً حالم چندان خوب نبود. آنجا که بیهوش بودم به هوش آمدم. مغزم با سرعت یکصدم هم کار نمیکرد. یک دقیقه یک گزاره در آن تولید میشد. خیلی کند چیزها را میفهمیدم. شما اگر الان بیدار شوید و ببینید بالای سر شما آسمان هست خیلی سریع به این نتیجه میرسید که برایتان چه پیش آمده. من خیلی طول کشید تازه با یک احتمالی فک کردم تصادف شده. بیدار شدیم دیدیم بالای سرمان آسمان هست. چیزی که میفهمیدم این بود که وحشتناک پشتم درد میکند. انگشتهای پایم را تکان دادم. حسم این بود که ممکن هست ستون فقراتم شکسته شده باشد. بعد یک سری صداهای مبهمی شنیدم. همینطور فکر کردم به این که کجا هستم. یادم آمد که اهواز بودیم. در اتوبوس بودیم. پس تصادف شده. و یک سری صداهایی میشنیدم. به نظرم آمد که امدادگرها هستند. تنها چیزی که به ذهنم آمد این بود که دستم را بیاورم بالا که اگر در چالهای هستم و من را نمیبینند، ببینند. مطمئن نیستم ولی فک میکنم که حتی صدا هم از خودم درنیاوردم. چون منطقیترش هم این بود که صدایی نالهای چیزی بکنم که بشنوند و من را پیدا کنند. ماجرا که تمام شد مثلاً دو سه هفته بعد یاد این ماجرا افتادم و در این مدت حتی یک لحظه به ذهنم نرسید که سعی کنم ببینم می تونم بلند شوم یا نه. نکتهی فلسفی اینجاست که این تجربه برای من این معنی را داشت که ما همیشه در محدودهی توانایی خودمان فکر میکنیم. در واقع بدن من میدانست من میدانم که من نمیتوانم بلند شوم. همان که انگشتان دست و پایم را هم بالا بیاورم خیلی زحمت کشیدم. میخواهم بگویم که وقتی تواناییمان را از دست دادیم اصلاً به فکرمان نمیرسد که کارهایی انجام دهیم که نیاز تواناییهای بالاتری دارند. نه اینکه من به فکرم رسید و دیدم که نمیتوانم. مغزم در حد تواناییهایم کار کرد. این مثل یک نکتهی فلسفی هست. یعنی عدم تواناییهای ما یک مرزهایی برای فکرهایی که به ذهنمان میرسد ایجاد میکند. حالا آزمایش ذهنی طراحی کنیم. فرض کنیم یک نفر در آنجا میآمد و به من میگفت سعی کن بلند شو. لحظهای که امدادگرها آمدند من بیهوش بودم. مثلاً فرض کنید امداد گری میآمد و به من میگفت سعی کن ببین میتوانی بلند شوی. خودت میتوانی بیایی یا نه. چه اتفاقی میافتاد؟ اگر میگفتند من سعی میکردم بلند شوم. بعد میگفتم من امکانش برایم نیست. درد دارم نمیتوانم. من را یکجور دیگر ببرید. چرا سعی میکردم بلند شوم؟ چون قبلاً بلند شدهام و میدانم یعنی چه. حالا اگر کاری از من میخواستند که در عمرم انجام نداده بودم عکسالعمل من چه بود؟ بیشتر شگفتی بود که منظورت چیست. حتی اگر توضیح هم بدهند نمیشد. کاری که اصلاً تجربهاش را نداریم را در آن شرایط بغرنج انجام بدهیم. نکتهی اول این که ما خیلی در زندگی و حتی در کار علمی محدودههای تواناییهایمان کار میکنیم. یکجوری یک مرزهایی وجود دارد برای اینکه چه چیزی به ذهنم برسد یا نرسد. این الهاماتی که به شما میشود در حد ریاضیاتی که میدانید به شما میشود. هیچوقت از جایی از ریاضیاتی که بلد نیستید الهامات نمیشوند. نمیتوانید از هیچ، کل تئوری را کشف کنید.
۳- ریاضیات (غیر) محاسباتی: گودل، تورینگ و پنروز
احتمالاً راجر پنروز را همهی شما میشناسید. فیزیکدان برجستهای که همکار استیون هاوکینگ و ممتحن رسالهی دکترایش بوده است. کارهای زیادی با هم کردند. پنروز در اواخر عمر کاری خودش، کتابی نوشت که پیشنهاد رادیکالی را مطرح کرده بود. اسم کتاب ذهن جدید امپراطور هست. ظاهراً در حولوحوش فلسفهی ذهن و ارتباطش با فیزیک هست. کلاً چیزی که میخواهد بگوید این هست که شما وقتی که به جهان نگاه میکنید مثلاً به کارکرد ذهن انسان نگاه میکنید پدیدههایی را میبینید که ظاهراً غیر محاسباتی (noncomputational) هستند. سعی میکند شواهدی را بیاورد. نمیخواهم از کار او دفاع کنم. این صرفاً مثالی از برخورد یک فیزیکدان با مسائل روزمره فیزیک هست. میگوید که به دلایلی ذهن ما غیر محاسباتی کار میکند. بعد تمام ریاضیاتی که ما با آن در علوم کار میکنیم همهاش به نوعی محاسباتی هست. بنابراین اگر پروژهی نظریهی همهچیز ما اگر با همین ابزارهایی که داریم به نتیجه برسد به تناقض میرسیم. چطور در جهانی که قوانینش محاسباتی است یک پدیدهای میتواند وجود داشته باشد که غیر محاسباتی است؟ نمیتواند وجود داشته باشد. نتیجه میگیرد که ریاضیات مدرنی که به نظریهی همهچیز (theory of everything) ختم میشود باید عناصر غیرمحاسباتی در آن باشد. چه احساسی به شما دست میدهد؟ من دارم به این میرسم که راجرز پنروز میگوید ما فیزیکدانها به صورت نانوشته فرض کردهایم که ریاضیاتی که با آن فرمولها را مینویسیم باید محاسباتی باشد.
سؤال این هست که ریاضیات غیرمحاسباتی (noncomputational) یعنی چی؟ مسئلههای فرمال ریاضی وجود دارند که حل الگوریتمی ندارد به اینها میگویند ریاضیات غیرمحاسبانی.
گودل و تورینگ پیشگامان ریاضیات غیر محاسباتی هستند. اولین مسئلهای که تورینگ ساخت هالتینگ بود که از روی مثال گودل بود. منطقاً الگوریتمی برای حلش وجود ندارد. ولی خیلی مسئلههای ساده و بیمزهای هستند و خیلی کاربردی نیستند. ولی از آن زمان ما روز به روز داریم مسئلههای ملموس غیر محاسباتی پیدا میکنیم. مثلاً در نظریه اعداد الان صورت مسئلهای داریم که تصمیم ناپذیر هست. در مسائل تایلینگ خود پنروز اثباتهایی دارد که بعضی مسائل تایلینگ (tiling) غیر محاسباتیاند. به عنوان مثال یک سری شکلهای هندسی به شما میدهم و میپرسم آیا با اینها میشود صفحه را مفروش کرد یا نه. با مربع میشود مثلاً ولی آیا با لوزی با سه تا شکل میشود این کارا کرد یا نه. اثبات وجود دارد که به صورت کلی این مسئله را نمیشود حل کرد به صورت الگوریتمی.
پیشنهاد پنروز این هست که سعی میکند دلایل منطقی و فلسفی بیاورد که با عناصر نا محاسباتیای که در فیزیک میبینیم نمیشود تئوری همهچیز محاسباتی باشد. دارد میگوید که گرانش کوانتمی ممکن هست غیر محاسباتی باشد. سر پیری نیامده که بحث فلسفی بکند. به فیزیکدانها دارد میگوید که به دلایلی نباید همین پروژههایی که مثل نظریهی ریسمان دارید را ادامه بدهید. برای اینکه گرانش کوانتمی اگر به دام بیفتد همهچیز تمام شده است. یک جواب این هست که ریاضیات غیر محاسباتی است. جواب دوم را اصلاً من دارم میدهم. از ریاضیات غیر محاسباتی اصلاً منظور چیست؟ چه کار کنم؟ گرانش کوانتمی را با تایلینگ حل کنم؟ اینجا آن نقطه ایست که من میخواهم از آن مثال حادثهی اتوبوس استفاده کنم.
ما ریاضیات محاسباتی را در طول تاریخ بسط دادهایم. ریاضیات غیر محاسباتی را اصلاً نمیشناسیم. صرفاً سه چهار تا مثال ساده از آن داریم. مشکل عدم توانایی ماست. فرض کنید که من استدلالهای پنروز را قبول کردم و قانع شدم. حالا چه کار کنم؟ ابرازهایش را ندارم. این به مانند آن حالت دوم هست که یکی به من بگوید بلند شو. اصلاً به فکرم نمیرسد از چیزی جز ریاضیات محاسباتی استفاده کنم. اگر هم پنروز به من بگوید که مثلاً فلان کار را بکن اصلاً تواناییاش را ندارم. از وقتی پنروز این حرفها را زده فرض کنید یک عده پیروش شدهاند. تصادفاً با مزه این هست که پس از کتاب پنروز بعدها دو تا از فیزیکدانهایی که خودشان با کار پنروز آشنا نبودند در یک مقالهای مدلی که برای حل گرانش کوانتمی دادند از ردهبندی رویه های توپولوژیک بعد چهار استفاده کردند که ثابت شده که غیر محاسباتی است (کتاب پنروز). پنروز هیجانزده شد که شاید اینها بدون استناد به ایدههای فلسفی پنروز به سراغ ابزارهای غیر محاسباتی رفتهاند و ممکن هست این یک شروعی برای یک تئوری درست برای گرانش کوانتمی باشد.
۴- پیشفرضهای دانش
تا حالا شنیدهاید که فرضی در فیزیک وجود دارد که ما میخواهیم از ریاضیات محاسباتی استفاده کنیم؟ معلوم است که کسی نمیگوید. یک همچنین پیشفرضی بیان نمیشود ولی وجود دارد. شما انتظار دارید از ریاضیاتی که بلند نیستیم استفاده کنیم؟ هر زمانی از آن چیزی که بلدیم استفاده میکنیم. یک جوری انگار ته ذهنمان این هست که با ریاضیات محاسباتی میشود همهچیز را به دام انداخت. شاید نشود این کار را کرد. پنروز دلایلی میآورد که نمیشود این کار را بکنیم. حالا سؤال این هست که آیا این پیشفرض هست؟ زیاد از پنروز استقبال نشد. واضح هست چرا استقبال نشد. برای اینکه پیشفرض محاسباتی بودن بینهایت مهم است. چرا؟ اگر این حرف پنروز درست باشد نه تنها فیزیک بلکه در کل ساینس باید یک بازنگری انجام شود. برای اینکه اگر ریاضیات غیر محاسباتی باشد شما نمیتوانید پیشبینی کنید. آیا کل فیزیک و علم بر اساس پیشگویی هستند؟ یکی از تعریفهای ساینس این هست که باید ابطالپذیر باشد. به صورت تجربی ابطالپذیر باشد. حالا اگر مدلی با ردهبندی رویهها ارائه بدهیم و از من بپرسند که حالا اگر این کارا بکنم چه میشود بعد من بگویم نمیدانم نمیتوانم محاسبه کنم این که علم نمیشود. بنابراین به این راحتی نیست. به این نتیجه میرسیم که پنروز دارد یک پیشفرض اولیه کل علم را زیر سؤال میبرد.
از این حرفهایی که میزنم باید این حس به شما دست داده باشد که پیشفرضها میتوانند خیلی زیاد و نامرئی باشند و نکته این هست که ردهبندی دارند. سلسله مراتب دارند. پیشفرضهای خاص مکانیک کوانتمی داریم. پیشفرضهای فیزیک داریم. ساینس داریم و دانش به کلی.
اتفاقاً پیشفرضهای دانش به صورت کل هستند که مدنظر ماست. دانش منظور ساینس نیست. من نمیدانم به جای دانش چه واژهای به کار ببریم که با ساینس اشتباه نشود. غربیها یک اسمی برایش گذاشتند. ما یک معادلسازی کردیم یا به آن میگوییم علم یا دانش. سپس این را در جاهای دیگر هم استفاده میکنیم. دانش یعنی معرفت، knowledge. به طور کلی knowledge یک سری پیشفرض دارد. مثلاً اینکه من پیشفرضم این هست که می توانم جهان را بشناسم. چه کسی گفته به اینگونه هست؟ مثلاً یکی از پیشفرضهای دانش به کلی و از جمله ساینس این هست که یک سری قوانین کلی در جهان وجود دارد و نظم آن را میتوانیم درک کنیم. مثلاً خیلی کلی از غار آمدیم بیرون و حسمان این بود که میتوانیم دنیا را بفهمیم. شاید نتوانیم. مثلاً یک خرگوش بیاید بگوید که من جهان را کامل میفهمم. واضحاً میگوییم مغزت آنقدر کار نمیکند. به هر حال ادعای غلطی داری میکنی. معلوم نیست که ما جهان را بتوانیم درک کنیم. مثلاً بیاید یک لحظه فرض کنید که ما نمیتوانیم گرانش کوانتمی را درک کنیم. همهی فیزیکدانها حسشان این هست که میتوانند. اینکه ذهن ما توانایی درک جهان را دارد.
من چیزی را که در انتها امیدوارم به آن برسیم این هست که فعالیت تشخیص پیشفرضها فعالیت مهمی است. هر چه نامرئی تر مهمتر. آن چیزی که میخواهم بر رویش تأکید کنم این است که سلسله مراتبی نگاه کردنشان مهم است. سرچ دو سه روزهی من مرا به این نتیجه رسانید که این فعالیت انجام نشده است. امیدوار بودم یکی دیگر شروع کرده باشد این را که بر اساس آن ادامه بدهم. باور کنید دلیلی که همچنین پیشفرضهایی وجود ندارد زیاد بودن آنهاست. این پیشفرضها انواع مختلف دارد. از پیشفرضهای ریاضی داریم. پیشفرضهای متافیزیکی مربوط به فیزیک و کلی فلسفه و الیآخر. پیشفرض پیدا کردن به این معنی نیست که من میخواهم این پیشفرض را نابود کنم. میخواهم بدانم که این پیشفرضها از چه جنسی هستند. متافیزیکی هستند یا عملی و الیآخر.
۵- تیغ اکام
یک قاعده در فلسفهی علم داریم به نام تیغ اکام. اکام یک دانشمند قرون وسطایی بود. تیغ اکام که خیلی منطقی به نظر میآید یعنی اینکه اگر میتوانی با حداقل تعداد عناصر مدلی را بسازی حق نداری چیزی را که میتوانی حذف کنی را بیدلیل وارد مدل بکنی. من اگر با چهار عنصر و سه قاعده بتوانم یک تئوری که اکسپریمنت ها را پیشبینی میکند را بسازم این برتری دار به یک مدلی که پنج عنصر دارد و شش قاعده. این بمانند یک قاعدهی پارسیمونی هست. تیغ اکام یعنی اینکه اگر چیزی کارکردی ندارد باید کنار گذاشته شود. مثلاً چند تا ذرهی بنیادی وجود دارد؟ به همان تعدادی که آثاری از آنها ظاهر شده. تیغ اکام میگوید تا وقتی چیزی لازم نشده اضافهاش نکن. فعلاً همین مدل با همین ذرات بنیادی همهچیز را توجیه میکنند. پس فعلاً چیز جدیدی را اضافه نکن مگر اینکه لازم بشود. مثلاً اینکه مشاهدهای شبیه مادهی تاریک صورت بگیرد.
یک قاعده راجع به پیشفرضها وجود دارد که شبیه تیغ اکام هست. پیشفرضها سلسه مراتب دارند. بعضی پیشفرضها، پیشفرض مکانیک کوانتم هستند. بعضی پیشفرض فیزیکی هستند یا فلسفی یا مربوط به دانش متافیزیکی یا اپیستمولوژی. نکته این هست که اگر بتوانیم با عوض کردن پیشفرضهای مرتبه پایین توضیحی را درست کنیم حق نداریم به پیشفرضهای درجهی بالاتر دست بزنیم. یک چیزی شبیه تیغ اکام. مثلاً اگر به ایرادی در یکی از پیشفرضهای مکانیک کوانتمی رسید نمیتوانم کل ساینس را زیر سؤال ببرم. باید تا جایی که میشود پایینترین مرتبه را دست بزنم. به قولی با تانک به شکار مگس نمیرویم. حداقل تغییر را در دانش بدهیم برای اینکه مشکلی را حل کنیم.
۶- درسهایی از تاریخ فیزیک جدید
در دبیرستان یک کتاب خواندم راجع به نسبیت و این قسمت خیلی بر من تأثیر گذاشت. احتمالاً شنیدهاید که ماجرای نسبیت خاص با بحرانی که آزمایش مایکلسون و مورلی مطرح کرد به وجود آمد. یعنی یک مفروضاتی در مورد نور و موج الکترومغناطیسی و فرض اتر مطرح میکرد که سرعت نور در دو جهت عمود بر هم متفاوت باشد و این تفاوت دیده نشد و این بحرانی را ایجاد کرد. شاید در کتابها ننوشته باشند که در فاصلهی انجام آزمایش مایکلسون مورلی تا سال ۱۹۰۵ که اینشتین نظریهی خودش را داد چه اتفاقاتی افتاد. بروید و آن چند تا تئوریای که در این برهه مطرح شدند را بخوانید. مهمترینش تئوریای بود که شخصی به اسم فیتزجرالد داد. نظریهاین بود که اگر فرض کنیم که اجسام ضمن اینکه حرکت میکنند انقباض پیدا میکنند در جهت حرکتشان و نسبت آن انقباض را میزان خاصی فرض کنیم این آزمایش درست از آب درمیآید. دلیل اینکه این دو سرعت مساوی شدند این هست که همانقدر که سرعت نور کم شده مسافت هم کم شده. بنابراین زمان مساوی شدهاند. دقیقاً این تئوری تا زمان اینشتین معتبرترین تئوری بود. دلیلش هم این بود که پیشفرضهای سطح بالاتر را عوض نمیکرد. سعی کرد با یک سری فرضیات ساده مسئله را حل کند. نکته این هست که این فقط ساخته شده بود که این آزمایش را توضیح بدهد. نکتهاش همین بود که بدون اینکه کل فیزیک را به هم بریزد آمد آزمایش را توجیه کند. اما نظریهاش غلط بود! و چیزی را حل نمیکرد. اینشتین آمد پیشفرض ساختار فضا و زمان را تحت تغییر قرار داد. خود اینشتین یک جایی گفته بود که آن چیزی را که خوب هست نگه داریم معادلات ماکسول هستند. اینقدر که اینها زیبا هستند. پس زمانی که دیگر هیچ تئوریای نمیتوانیم بدهیم که با دست زدن به پیشفرضهای مرتبه پایین توضیحات را درست کند میتوانیم به مراتب بالاتر فکر کنیم. مثلاً برای مکانیک کوانتمی باید از اصول موضوعهی فون نیومان شروع کنیم. از لحاظ ریاضی مدلهایی که داده بودند کثیف کاری داشتند. نظریهی اینشتین یک پیشفرض بالاتر را دست زد و خیلی نظریهی تمیزی داد.
نظریهی متغیر پنهان اینشتین را در نظر بگیرید. ایده از اینجا شروع میشود که نمیدانیم چرا فرمالیسم احتمالی است. اینشتین میپرسد که ما متغیرهایمان را از کجا آوردهایم؟ از دنیای ماکروسکوپی. از کجا میدانیم که همینها در دنیا میکروسکوپی هم وجود دارند؟ شاید لازم بشود که یک متغیر دیگری بگذاریم که اگر این را اضافه کنیم قطعیت ایجاد کند در مدلمان. این یک مرتبه بالاتر از این هست که بخواهیم اصول موضوعهی فون نیومان را دست بزنیم. به خاطر اینکه یک متغیر جدید میآورد. آن مطالعهی انجام نشده این هست که پیدا کنیم این سلسله مراتب چیستاند. اینکه اولویت پارسیمونی چیست. همهی نظریههای گرانش کوانتمی یک پیشفرضی را عوض میکنند. نظریهی ریسمان مثلاً به جای ذرات فرض میکند رشته داریم. آن نظریههای رویههای غیر محاسباتی یک چیز دیگری را دست میزد. در واقع یک کاری مثل کار اینشتین بود. هندسهی اقلیدسی ساده را پیچیده میکند. مثلاً بیان میکند که هندسهی ناجابجایی دارد. به نظریهی اینشتین کسی زیاد دست نزد بس که زیبا بود. تا مشکل جدیای به وجود نیاید دستش نمیزنیم. بعضیها میگویند مشکل اینکه گرانش کوانتمی نداریم این هست که گرانش درست تعریف نشده است. باید تئوری اینشتین را عوض کنیم تا مشکل حل بشود. یا برعکس عشاق نظریهی اینشتین که میگویند مکانیک کوانتمی مشکل دارد.
نظریهای خوب جا میافتد که پیشفرضهای درجه پایین را دست میزند و زیاد کاری به پیشفرضهای بالاتر ندارد. این به آن نشان که نظریهی اینشتین خیلی دیر جا افتاد. سالها مقاله جایی چاپ شده بود و کسی کاری به آن نداشت. کار به جایی رسید که مشاهداتی را توجیه میکرد که بقیهی تئوریها توجیه نمیکردند. تنها بعد از این بود که نظریهی اینشتین جا افتاد. قبلش داشتند تیغ اکام را بکار میبردند. پذیرش چیزی از این دست که فضا و زمان در هم تافته شدهاند چیزی نبود که سریع مورد پذیرش همه قرار بگیرد.
به نظر میآید ساینس مخصوصاً فیزیک یک قانون کلی دارد. مدل میسازیم. شواهد را توجیه میکنیم. تا به جایی که این مدل مشاهدهای را جواب نمیدهد. کاری که انجام میدهیم به طور مداوم این هست. یک مقدار ساختار ریاضی را منعطفتر میکنیم. مثلاً نسبیت میگوید فضا را اقلیدسی نگیریم. یک چیزی را تعمیم میدهیم. جا باز میشود. از نظر ریاضی این ساختاری را که شل میکنیم یک سری چالشهای جدید به وجود میآورد. در آن مثال فضا زمان قدم بعدی این هست که بپرسیم چرا اصلاً فضا، فضای ریمانی باشد. بگوییم فضا توپولوژیک هست مثلاً. آیا این خوب هست؟ قدرت محاسبهام را از دست میدهم. کمکم میرسیم به نظریهی کتگوری ها. نکته این هست که اینها ساختارهای کمتری دارند و محاسبات ضعیفتری را میشود بر روی آنها انجام داد.
۷- وضعیت علم امروز: نمیفهمم پس فهمی در کار نیست!
برگردیم به مثال پنروز. اینکه آمد و گفت ریاضیات غیر محاسباتی دخیل باشد ساینس را زیر سؤال میبرد. و ابداً از او استقبال نشد. به خاطر اینکه ما ساینس را بر اساس پیشبینی تعریف کردیم و ریاضیات غیر محاسباتی به این درد نمیخورد. شاید هم درست بگوید. ولی عکسالعمل فیزیکدانها به فیزیکدان بزرگی مثل پنروز به خاطر این هست که به پیشفرضهای بنیادی را دارد زیر سؤال میبرد.
نظریهی مکانیک کوانتم یک ویژگیهای عجیب غریبی داشت از این جنس که قدرت پیشبینی به من ندهد. مثلاً اصل عدم قطعیت یا موجبیت. این که در مدل کوپنهاگی الکترون شصت درصد احتمال دارد به چپ برود و چهل درصد راست. در حدی این غیرعادی بود که کسی میتوانست بگوید به همین دلیل نظریه اشتباه است. هایزنبرگ اینطور نظریهی خودش را حفظ کرد که یکی از بنیادیترین پیشفرضهای بشریت را زیر سؤال برد. اینکه موجبیت وجود ندارد. اخیراً در چاپ کتاب جدید واینبرگ دربارهی فیزیک کوانتمی رسماً برای اولین بار نوشته که دیگر خیلی واضح هست تعبیر کوپنهاگی قابلقبول نیست و فیزیکدانها باید راهحلی برای این مشکل پیدا کنند. به عنوان مثال به پاراگراف آخر از فصل ۳.۷ از کتاب واینبرگ نگاه کنید:
“My own conclusion (not universally shared) is that today there is no interpretation of quantum mechanics that does not have serious flaws, and that we ought to take seriously the possibility of finding some more satisfactory other theory, to which quantum mechanics is merely a good approximation.”
اینکه بگوییم موجبیت وجود ندارد این چیزی نیست که قابلقبول باشد. هشتاد سال به خاطر این اصل عدم موجبیت جلوی پیشرفت فیزیک گرفته شد. به خاطر اینکه حسی به فیزیکدانها داد که گویا مشکل حل شده است. تنها حدود دههی شصت بود که فیزیکدانها درصدد آمدند که پیشنهادهایی برای تعبیر کردند فیزیک کوانتمی بدهند. این می تونست از ۱۹۳۰ شروع شود. هایزنبرگ در خاطراتش نوشته است که قبل از یک سخنرانیای شب تا صبح با بوهر نشستند و این تعبیر کوپنهاگی را بیرون آوردند. یک لحظه جمع فیزیکدانها را تصور کنید. اگر از همان اول هایزنبرگ آمده بود که بگوید الکترون به آن طرف میرود و هیچ علتی هم ندارد به زبان عامیانه به او میگفتیم برو دوباره درس بخوان. بدون تعبیر نمیشد این را گفت. ذهن ما نمیتواند تصور کند که چیزی بدون علت یا به این طرف برود یا آن طرف. واقعیت این هست که ما همچنین چیزی را نمیفهمیم. دو راه وجود داشت. یا اینکه بگوییم واقعاً نمیفهمیم. یا این که ماستمالیش کنیم. واقعاً تعبیر کوپنهاگی مثل متا اینترپریتیشن هست. تعبیر کوپنهاگی رسماً مثل این هست که تعبیری وجود ندارد. این یک نقطهی عطف فیزیکی بود. این که یک چیزی نوشتیم که نمیفهمیدیم و خودمان را مجاز دانستیم که قبول کنیم فهمی وجود ندارد. فهمیدن یعنی چه؟ مثلاً جرم و شتاب و نیرو را در قانون دوم نیوتون می فهیم. یکی از اوجهای فیزیک معادلات ماکسول بود که چیزهای بسیاری را توضیح میداد. فیزیکدانها به جایی رسیده بودند که میگفتند چیزی نمانده است همهچیز را بفهمیم. در مکانیک کوانتمی برای تابع موج معادل خارجی وجود ندارد. رسماً ابزار محاسباتی است. ولی یک حسی به جرم داریم. مثلاً تعداد ذرات تشکیلدهنده یا مقاومت مقابل حرکت و غیره. دقیقاً نکته این هست که تا یک زمانی فیزیک ادعای ابجکتیو (فرا اذهانی) بودن داشت. مثلاً تعبیر اینسترومتالیستی (ابزارگرایی) را در نظر بگیرید که یک سری فرمول با یک سری پارامتر داریم و یک ابزارهایی داریم برای اندازهگیری. مثلاً بار معنایی ندارد جز این که چیزی است که این ابزار اندازه میگیرد. نه میدانم جرم چیست نه بار نه غیره. از زمان مکانیک کوانتم بود که گونه حرفها شروع شده که ما حس کنیم نمیدانیم چه کار میکنیم. چون دیدیم نمیفهمیم آمدیم معنای فهم و همهچیز را عوض کردیم.
حس فیزیکدانها به دنیا چیست؟ آیا انفجار بزرگ وجود داشته یا صرفاً یک قسمت از تئوری بر روی کاغذ هست؟ آیا سیاهچاله وجود دارد؟ آیا میدانید سیارهی نپتون به چه صورت کشف شد؟ نپتون را از آنومالیهایی که سیارههای دیگر داشتن پیشبینی کردند همچنین جرمی وجود دارد. آمدند گفتند اگر همچنین جرمی با این مشخصات باشد در فلان روز باید فلان مشاهدهی خاص را انجام بدین. نگاه کردند دیدن و ثابت شد که همچنین جرمی وجود دارد. سیاهچاله هم همین هست. واقعاً فیزیکدانها دارند راجع به جهان صحبت میکنند. برعکس ایدئالیستها هستند که اصلاً میگویند جهان خارجی وجود ندارد. دو نوعم داشتن. یکی که میگفت اصلاً جهان بیرونیای وجود ندارد. هیچ جوری هم نمیشود ثابت کرد شما وجود دارد.
دقیقاً مشکل این هست که یک سری مشکلاتی در مکانیک کوانتمی وجود دارد و فیزیکدانها بالاترین پیشفرضهای ما را زیر سؤال بردند و حق نداشتند این کار را بکنند. در صورتی که شاید میتوانستند با پیشفرضهای سلسلهی پایینتر توجیه کنند. تا وقتی پیشفرضهای دیگری وجود دارند نباید اصل موجبیت را زیر سؤال ببرند برای اینکه یک مشکل سطح پایینتر را حل کنند. موجبیت یکی از پیشفرضهای بنیادی متافیزیکی بشر هست. حتی افرادی مثل واینبرگ هم ناراضیاند از این موضوع.
۸- انبوهی از پیشفرضهای سطح پایین
آیا پیشفرضهای سطح پایینتر بررسی نشده داریم قبل از اینکه بخواهیم به موجبیت بپردازیم؟ چقدر احساستان این هست که به فضا و زمان با زاویهی مناسبی فکر میکنیم و مدلسازی میکنیم؟ (یک جوری دارم انگار من این تعبیر را قبول دارم) آیا واقعاً زمان یک singularity است؟ یعنی الان جهان در لحظه وجود دارد و هیچ آینده و گذشتهای وجود ندارد؟ آیا چیزی به اسم زمان حال داریم؟ آیا نمیشود فرض کرد که اتفاقاتی که در آینده قرار هست اتفاق بیفتند اگر قطعی شده باشند یک تأثیری را زمان حال بتوانند بگذارند؟ مثل اینکه فرض کنیم وارد آیندهای میشویم که درست هست که وجود ندارد ولی با یک درصدی از احتمال وقایعش دارند وجود میآیند. بنابراین زمان و هستی در یک بازهای وجود دارد. مثلاً چیزی که وجودش قطعی شده باشد به یک نحوی بتواند در زمان حال تأثیر بگذارد. این تصور زمان سینگولار تصور عجیبی است. چرا این مکان اینقدر چیز پیوسته ایست ولی نقاط بیبعد دارد؟ میدانستید در فلسفهی قرونوسطا (چه مسیحی، چه اسلامی) مکان را به عنوان چیزی که ما در آن هستیم تعریف نمیکردند؟ میگفتند مکان نسبت بین اشیاست. مختصات گذاری از زمان دکارت شروع شد که به ما ابزار محاسبه میداد. به این فکر کردید چرا اصلاً ریاضیات فیزیک مختلط هست؟ اینقدر ریاضیات مختلط زیباست که من اولین بار که ریاضیات مختلط را دیدم اینقدر شیفتهاش شدم که گفتم ریاضیات جهان حتماً باید مختلط باشد. جالب که آن موقع اصلاً از ریاضیات مکانیک کوانتمی خبر نداشتم. بعدها فهمیدم که ریاضیات مکانیک کوانتمی مختلط است. اصلاً ماجرا سر این هست که ما یک سری پیشفرضهای بنیادی را گذاشتیم کنار و به مشکل برخوردیم و چون نمیفهمیدیم سازوکار دنیا را آمدیم و گفتیم که فهم وجود ندارد.
- نقطهی عطف اول: نیوتون، سیب و جاذبه
چند نفر شنیدهاند که اصلاً چیزی به اسم نیروی جاذبه وجود ندارد؟ حتماً این داستان را شنیدهاید که نیوتون زیر درخت نشسته بود و سیب روی سرش خورد (حالا این داستان افسانه است). چون در مدل خودش نیرو وجود داشت گفت حتماً این را یک نیرو پایین کشیده است. گفت سر من که نکشیده پس زمین کشیده! و قرنها بعد فهمیدیم چنین چیزی وجود نداشت. نه نیرویی در کار بود و نه جاذبهای. تصورش از دنیا این بود که این کرات میخواهند فرار کنند و جاذبه مثل یک طناب مانع از فرار کردن اینها میشود. ولی نظریهی نسبیت نمیگوید چیزی قرار است فرار کند. همه دارند با خوشحالی در مدارهای منحنی حرکت میکنند.
قانون جاذبهی نیوتن شاید نقطهی عطف اول تاریخی بود برای کنار گذاشتن فهم از علم. کتابی هست به اسم نیوتون به عنوان یک فیلسوف. کتابی است دربارهی چهل سال بعد از نیوتون دربارهی جاذبه. انبوهی تئوری به وجود آمد. ولی با به وجود آمدن فرمالیسم نیوتنی اینقدر که این محاسبات خوب جواب میدادند اصلاً این سؤال که جاذبه چیست محو شد. بعضیها میگویند از زمان مکانیک کوانتمی شروع کردیم به نفهمیدن فیزیک. ما از زمان نیوتون شروع کردیم به نفهمیدن فیزیک. برای اینکه نیوتون نگفت جاذبه چیست فقط فرمولش را نوشت. قرنها بعد فاینمن آمد و گفت چرا نیروها با عکس مجذور در رابطهاند. فاینمن میگوید یک کره را در نظر بگیرید. حالا فکر کنید از اینجا یک سری ذرات دارند به آن سمت میروند. تراکم این ذرات با عکس مجذور رابطه دارد. حالا فکر کنیم که این یعنی چه. موضوعات از این دست از زمان نیوتون حدود سی چهل سال بحث شد و گذاشتندش کنار. چون شور و هیجان محاسبه همهچیز را قربانی کرد. این حتی از زمان کوپرنیک شروع شد. کلی هم چیز کشف کردند. مثلاً نپتون را کشف کردند.
جهان منظم، آماری یا ریاضیاتی؟
این حرف به اعتقاد شخصی من نزدیک است. پنروزی که میگوید ریاضیات فیزیک غیرمحاسباتی است، میگوید که ما فرض کردیم جهان ریاضیاتی است و دلیلی نداریم برای چنین فرضی. چه کسی گفته قوانین طبیعت ریاضیاتیاند؟ این فرض چقدر عجیب بوده و هست؟ در زمان فیثاغورث کسانی این حرف را میزدند که مثلاً میشود جهان را با عدد توضیح داد. به جز اینکه با ریاضیات ما به قدرت محاسبه و پیشبینی رسیدیم هیچ دلیلی نداریم که باور کنیم قوانین فیزیک محاسباتیاند. این یک پیشفرض ساینس نیست. پیشفرض فیزیک است.
فهم اصلاً تعریفپذیر نیست. و ممکن هست که فیزیک در سطوح پایینتری قابلفهم باشد. پنروز میگوید که من ایمان دارم که این قوانین ریاضیاتیاند ولو اینکه دلیلی برایش ندارم. در واقع پنروز آگاهانه میفهمد که فیثاغورثی به جهان نگاه میکند. نه ارسطویی نه افلاطونی نه فیلسوف دیگری در قرون بعد از آن.
بیایید فکر کنیم که ما یک سری موجوداتی هستیم که از آسمان به زمین نگاه میکنیم و فقط نور چراغها را میبینیم. بعد از یک مدتی متوجه یک نظمهایی میشویم. مثلاً آخر هفتهها یک سری مراکز تفریحی هست که این نورها میروند آنجا بیشتر و وسط هفتهها میروند سرکار. هر چه بیشتر نگاه میکنیم بیشتر قاعده کشف میکنیم. طوری که واقعاً به طور آماری بعد از یک مدتی اول پریود ۲۴ ساعت را کشف میکنیم. بعد هفتهای. مثلاً در تهران یکشنبه و چهارشنبه روزهای ترافیک است. میفهمیم یک پریودهای سالانه هم وجود دارد. فرق بین کامیون و ماشینهای شخصی را هم میفهمد. بعد از یک مدتی به صورت آماری همهچیز را پیشبینی میکنیم. حالا فرض کنید که ما یک سری روبات هستیم و دقیق برنامههایی را پیاده میکنیم. صد در صد میشود اینها را مدل کرد. فرض کنید نظریهی همهچیز را پیدا کردیم. سؤال: در مثالی که گفتیم آیا اینهایی که نظمهای زمین را فهمیدند هیچ ایدهای دارند در زمین چه خبر است؟ واقعاً هیچ نفهمیدند. مثال من برای این نیست که بگویم ذرات بنیادی موجودات زندهاند. مثال من برای این هست که ساخت یک مدل بینقص که همهچیز را پیشبینی میکند مطلقاً به این معنای این نیست که ما میفهمیم چه خبر است و در جهان چه اتفاقی دارد می افتد.
فرض کنید چند تا ذره در یک جعبهاند و یکی دو تا جای این جعبه باز است. قاعدهی بازی این هست که این ذرات طوری حرکت میکنند که از جعبه خارج بشوند. مثل اینکه به صورت قانونی به آنها دستور داده شده باشد. حالا اینجا یک حرکاتی به وجود میآید. شما یک شبیهسازی با یادگیری ماشین انجام میدهید که این ذرات میخواهند از اینجا خارج بشوند آنها از آنجا و الیآخر. میخواهیم سعی کنیم نشان بدهیم که جور دیگری میشود معادلات را نوشت ولی پارامترهای مستقل پیدا میکند مثل مسئله fine tunning. نکته این است که ممکن هست که قاعدهها ریاضی نباشند، قاعدههایی که سیستم بر اساسش اپتیمم شدهاند. ولی نظمها، نظمهای ریاضیاتی هستند و ما میتوانیم کشفشان کنیم. ولی معنایش این نیست که اگر این قاعدهها را کشف کردیم میفهمیم که قانون اصلی ماشین چیست.
به نظر من fine tunning یک مشکل بزرگ در فیزک است که چطور است که در جهان یک سری ضریب ثابت بنیادی مستقل از هم وجود دارند؟ راهحلش هم یک چیزی شبیه multiverse نیست. شاید اینهایی که دارم توصیف میکنم توصیف ریاضی چیزی است که در بطنش ریاضی نیست. یک جهانی است که مثل اینکه به سمتی در تحول است که کاری انجام بدهد. ممکن هست در این مدل ثوابت مستقلی به وجود بیایند در حالی که واقعیت چیز دیگری است. در این مثال روباتها مراکز تفریحی نیروی جاذبه با پریود یک هفته دارند. یک ضریب ثابت جذب هم میگذاریم. برای محیط کارها ثوابت دیگر. اصل این هست که ماجرا پشت پردهای دارد که ما از آن خبر نداریم. من میخواستم بحث را به اینجا برسانم که علوم داده میتواند تأثیرات شگرفی بر علم فیزیک بگذارد. برای اینکه آن مثالی که سخنرانی را با آن شروع کردم علوم داده تواناییهای جدید به شما میدهد. بدون اینکه مدل ریاضی بنویسید نظمهایی را میتوانید توجیه کنید. دیگر به ریاضیات محاسباتی احتیاج نداریم یکجور دیگری دستمان باز میشود که مدلهایمان را بسازیم. علوم داده تواناییهای جدیدی برای ما به وجود میآورد. به مانند آن مثالی که من آنجا افتاده بودم و نمی توانستم بیدار شوم. ممکن هست ایدهها چیزهایی باشند که ذهن ما توان فهم آنها را ندارد.
۹- جمعبندی
ملا داشت زیر چراغ برق دنبال چیزی میگشت. عدهای آمدند گفتند دنبال چی میگردی؟ گفت انگشترم را گم کردم. پرسیدند کجا گم کردی؟ گفت پشت آن دیوار قبرستان. به او گفتند چرا اینجا را نگاه میکنی؟ گفت اینجا چراغ روشن است، میبینم! ما فکر میکنیم این جک است! امیدوارم صدسال دیگر خاطره شده باشد!
من میگویم تا پیشفرضهای پیش و پا افتادهتر هست دنبال پیشفرضهای بنیادیتر نرویم. این از تنبلی است که قبل از اینکه بخواهیم جوابهای پیش و پا افتادهتر را بدهیم سراغ مفاهیم اصلیتر برویم. کنار بگذاریمشان. وقتی نمیفهمیم بگوییم فهمی وجود ندارد.
یک نکته سر شهود هست. در آن مثال روباتها چون شهود وجود نداشت نمیتوانیم درک کنیم. قدیمترها به انسان به عنوان آینهای نگاه میکردند که حقیقت را در خود انعکاس بدهد. در قدیم درک طبیعت فارغ از قدرت محاسبه بود. از زمان گالیله و دکارت به بعد قدرت پیشبینی و ریاضیات مرکزیت پیدا میکند. ساینس اساسش برای تکنولوژی هست. برای قدرت و کنترل کردن طبیعت. جدیداً خواندم که در نامهای که پاپ به گالیله نوشته بود پاپ گفته این کار راه به حقیقت نمیبرد چون خداوند یک کار را از راههای مختلف انجام میدهد. یک چیزی که یک مدل به آن فیت میشود مدلهای دیگر هم به آن فیت میشوند. فهم مدل اساس هست و همه این را میدانستند.