«نیروهای جهان متحد شوید»

نگاهی به تلاش های اینشتین برای وحدت نیروها:

وقتی آلبرت اینشتین در اوایل دهه 1920 تلاش هایی را برای ارائه یک نظریه وحدت بخش در فیزیک آغاز کرد، اوضاع خیلی امیدوار کننده بود.نظریه های موجود-یعنی نسبیت و مکانیک کوانتومی نوظهور-همانقدر پرسش تازه مطرح می کردند که به آنها جواب می دادند، و به همین خاطر بیشتر فیزیکدان ها نیاز به یک چارچوب نظری بزرگ تر را احساس می کردند

اولین ایده ها در این راه به چهره هایی مثل هرمان ویل، آرتور استنلی ادینگتون و تئودور کالوتزا مربوط بود.که هر چند تلاش هایشان نیروها را متحد نکرد، اما باعث شد نظریه پردازان با مفاهیم مفیدی مثل تقارن پیمانه ای و ابعاد اضافه آشنا شوند.اینشتین سه سال بعد از ارائه و انتشار مجموعه ای از نظریه های وحدت بخش تنها مانده بود.بقیه دانشمندان رهیافت او را به بن بست رسیده می دیدند، اظهار نظری که میزان پیشرفت این شاخه از فیزیک بعد از مرگ او در 1955 نیز آن را تایید می کند.در حالی که اینشتین می خواست نظریه وحدت بخش را روی نسبیت عام(1)بنا کند، اتفاقات بعدی نشان داد که مکانیک کوانتومی بهترین نقطه شروع این راه است.
اواخر سال 1949بود اینشتین فرمول بندی نظریه وحدت بخشش را منتشر کرد و دبیران مجله ساینتیفیک امریکن بلافاصله ار او خواستند تا یک نسخه عامه فهم تر از آن را هم تهیه کند.این مقاله که در شماره آوریل 1950 مجله به چاپ رسید، دو تا مانده به آخرین مقاله ای بود که او درباره یک موضوع علمی و به زبان ساده نوشت.اصل مطلب را اینشتین به صورت یک دست نویس شتاب زده و بدخط به زبان آلمانی به مجله داد و چیزی که منتشر شد یک ترجمه تقریبا ویرایش نشده بود؛ متنی خشک و فنی که خواندنش اصلا راحت و خوش آیند نیست و هیچ اثری از آزمایش های فکری درخشان اینشتین -قطارها، پرتوهای نور، آسانسورها-که نوشته های قبلی اش را جذاب و ساده فهم می کرد، در آن دیده نمی شود.توضیحات و توصیفاتش از جزئیات این نظریه وحدت بخش هم آن قدرگنگ و مبهم است که کسی تقریبا چیزی از آن نمی فهمد.
دنیس فلاناگان، سردبیر آن موقع مجله یادآوری می کند که:«مقاله از آن چیزهایی که معمولا چاپ می کردیم، بسیار دشوارتر و پیچیده تر بود و بنابراین چندین تغییر ویرایشی را به دکتر اینشتین پیشنهاد کردیم.اما او احساس می کرد که متن باید بدون تغییر چاپ شود.»مقاله به خوانش چندین باره نیاز دارد، به ویژه اگر خواننده به چشم مطلبی درباره فلسفه علم به آن نگاه کند تا علم، مجرد و انتزاعی بودن مقاله هر چند مانعی غیرقابل قبول برای خواننده عادی به حساب می آید.ولی، یکی از مهم ترین جنبه های آن است که از جابجایی و تغییر اهداف اینشتین حکایت می کند، علاقه تحقیقاتی اصلی او، دیگر تلاش برای توضیح پدیده های مشاهده شده در طبیعت نبود.نظریه نسبیت عام، گرانش را توضیح می داد و معادلات ماکسول(2)هم از پس دیگر نیروی مهم طبیعت یعنی الکترومغناطیس بر می آمد.
اینشتین حالا دیگر تلاش می کرد که این دو نظریه را با یکدیگر پیوند دهد.به این ترتیب این ساختار محض وانتزاعی این نظریه ها بود که برایش اهمیت داشت.اینشتین درقسمتی از این مقاله می گوید:«نیاز به نظریه های تازه در درجه اول آنجا مطرح می شود که پدیده های جدید را نتوان با نظریه های موجود توضیح داد.اما این انگیزه برای ساخت و ارائه نظریه های جدید بیش از حد بدیهی است.انگیزه دیگری هم هست، که اهمیتی حداقل برابر دارد و آن حرکت به سوی یکپارچگی و ساده سازی کل نظریه است.»
فیزیکدانان تا آن موقع میوه های نزدیک به زمین را چیده بودند (کاری که نتیجه اش قوانین برای توصیف مستقیم تجربیات بشر در رابطه با طبیعت بود)و بنابراین گام بعدی همان طور که اینشتین می گوید، خواه ناخواه دشوارتر می شد:«یکی از مزیت های مهم هرنظریه ای این است که مفاهیم اصلی و اصول بنیادی اش به تجربه نزدیک باشد.خطر اینکه چنین نظریه ای به کلی پرت و اشتباه از آب درآید کمتر است؛ مخصوصا به این دلیل که رد کردن یا نقض آن در هر مرحله ای به وسیله آزمایش، زمان و کوشش بسیار کمتری را می طلبد.بااین حال هرچه دانش ما عمیق تر می شود، باید این مزیت را به نفع سادگی منطقی و یکپارچگی اصول یک نظریه فیزیکی کنار بگذاریم».این نکته ها حتی امروز هم وارد هستند.افراد زیادی شکایت می کنند که نظریه ریسمان(3)آن قدر از حیطه تجربه به دور افتاده است، که دیگر نمی توان آن را علم خواند.اما در واقع هر نظریه ای که ارزش بنیادی نامیدن را داشته باشد، حداقل در ابتدا، دور از دسترس به نظر می آید.دیگر کسی نمی تواند چند مشاهده و آزمایش را انجام دهد و با رعایت مجموعه ای از قوانین به یک توضیح برسد.باید ایده ای به ذهنتان برسد، آن را جلوببرند و بسط بدهید و تازه آن موقع بفهمید که چطور باید از طریق تجربی امتحانش کرد.از این دیدگاه علم هم نوعی هنر است.
اینشتین می نویسد:«ایده نظری جدا ومستقل از تجربه به نظر نمی آید و البته با یک فرایند کاملا منطقی هم نمی توان از تجربه استخراجش کرد.چنین ایده ای حاصل از یک عمل خلاقانه است.»در نظریه های اینشتین جرقه خلاقانه، ایده تقارن بود.یک جسم متقارن حتی تحت مجموعه ای از تبدیل ها(انعکاس، چرخش، جابجایی)یکسان باقی می ماند.از نظر ریاضی، یک تبدیل مثل این است که معادله مربوطه را در یک نرم افزارتایپ بنویسید و بعد عملیات جست وجو و جایگزینی را در آن انجام دهید.اگر معادله دارای نوع خاصی از تقارن باشد، عملیات جست وجو و جایگزینی هیچ اثری روی آن نمی گذارد.
مثال ساده اش معادل هذلولی است:xy=1 اگر دراین معادله به جای x ، y ،وبه جای y، x بگذاریم معادله تغییری نمی کند.این توصیف روش مجردی است برای گفتن اینکه دوبازوی هذلولی، تصویر آینه ای یکدیگر هستند.هدف اینشتین، رسیدن به معادلاتی بود که تا حد ممکن تاثیر عملیات متعدد جست وجو و جایگزینی یکسان باقی بمانند.ایده اصلی این است که هر چه معادلات متقارن تر باشند.پدیده های بیشتری را در خود جای می دهند.مثلا در مورد نسبیت خاص(4)می توان هر نمونه ای ازx،y، z وt(مختصاتی که فضا -زمان را مشخص می کند)رابا تابع ریاضی خاص ازx، y،z وt جایگزین کرد و به همین دلیل هم به آن نسبیت خاص می گویند؛ این تقارن، فضا را با زمان یکپارچه می کند و برای محاسبه فاصله میان دو نقطه دیگر نمی توان از رابطه فیثاغورثی معمول که شاملx،y وz است.استفاده کرد.حالا به یک نسخه چهاربعدی از این رابطه نیاز داریم کهt را هم در بر می گیرد.

نسبیت عام،دامنه جست وجو و جایگزینی های ممکن را گسترش می دهد، یعنی به جای یک تابع خاص ازx،y،z وt ، تقریبا هر تابعی از این مولفه ها مجاز است.برای اینکه معادلات فیزیک یکسان باقی بمانند.یک نیرو را باید وارد بازی کرد و این نیرو چیزی نیست جزگرانش.دراین شرایط فاصله میان دو نقطه با قانونی به مراتب پیچیده تر از رابطه فیثاغورث -به نام متریک-محاسبه می شود.متر یک فضا را می توان با یک ماتریس عددی 4×4 نمایش داد.
 

یکسان بودن فاصلهA تاB وB تاA ایجاب می کند که این ماتریس حول قطر اصلی اش متقارن باشد وبه این ترتیب ماتریس با 10 عدد غیر تکراری مشخص می شود.استدلال اینشتیتن این بود که چرا داستان باید به همین جا خاتمه پیدا کند؟چرا هر ماتریسی-نه فقط متقارن ها- را مجاز ندانیم؟ کافی است به ماتریس متقارن(با ده عدد غیرتکراری )یک ماتریس پادمتقارن (با شش عدد غیرتکراری)اضافه شود.اتفاقا معادلات ماکسول را می توان با یک ماتریس پادمتقارن نوشت، و بنابراین طبیعی است که امیدوار باشیم این رهیافت الکترومغناطیس و گرانش را یکپارچه کند.
اما متاسفانه همه چیزهای طبیعی الزاما درست از آب درنمی آیند.
اینشتین در تلاش برای هماهنگی دو ماتریس به مشکل برخورد.مشکلی که برخلاف تصورش گذر او موضعی نبود و در یک ناهمگونی عمیق ریشه داشت.برخلاف شباهت های بیرونی گرانش و الکترومغناطیس،بررسی ها نشان داد که این دو اساسا متفاوت هستند.غیر از این در طول سه دهه ای که اینشتین نظریه وحدت بخش را رواج می داد، محققان نیروهای جدیدی یافتند که در این چارچوب نمی گنجید:نیروهای هسته ای ضعیف و قوی.
الکترومغناطیس بیشتر از آنکه به گرانش نزدیک باشد.به این نیروها شباهت دارد؛ هر چند که غریزه های اینشتین درباره تقارن درست بود، اما او داشت این ابزار کارآمد را بر ورودی های نامناسب اعمال می کرد.وی در بخشی از مقاله مورد نظر نوشته است:«هیچ دلیلی نمی بینم که فرض کنم ساختار نسبیت عام تنها به گرانش محدود باشد وبا بقیه فیزیک جداگانه و به طریقی دیگر برخورد شود.کوچکی نسبی چیزی که امروز به عنوان اثرات گرانشی می شناسیم.دلیل قانع کننده ای برای نادیده گرفتن نسبیت عام در بررسی های نظری بنیاد فیزیک نیست.»
به عبارت دیگر پرسیدن این سوال که «فیزیک بدون گرانش چه شکلی می شد؟ اصلا قابل توجیه نیست».اما تاریخ عکس این ماجرا را ثابت کرد.مکانیک کوانتومی بدون نیاز به گرانش از پس توضیح الکترومغناطیس، نیروهای هسته ای و ساختار ماده با دقت چشم گیری بر می آید.گرانش در واقع، آن تکه ای از فیزیک بود.که یکپارچه کردنش بابقیه دشوارتر از همه از آب درآمد و فیزیکدان ها هم چنان با آن دست و پنجه نرم می کنند.اکنون گرانش نیز مثل اینشتین در سال های آخر عمرش تنها مانده است!
scientific American ,sep 2004

توضیحات
 

1-نسبیت عام، نظریه ای است که درسال 1915 توسط اینشتین مطرح شد.این نظریه تعمیمی بر نظریه نسبیت خاص است که درمورد تمامی ناظرها اعم از لخت و غیر لخت صحبت می کند.در این نظریه فضا-زمان توسط هندسه ریمانی بررسی می شود.این نظریه گرانش را به عنوان یک عامل هندسی و نه یک نیرو بررسی می کند.البته قابل ذکر است که نسبیت صورت های دیگری هم دارد از جمله نسبیت عام هرمان وایل که نه تنها وحدت میان گرانش و الکترومغناطیس ایجاد می کند بلکه کل عالم را هندسه می دانند هندسه فضا و زمان.
2-معادلات ماسکول، معادله هایی هستند که چگونگی ایجاد شدن میدان های الکتریکی و مغناطیسی را توسط بارها و جریانات الکتریکی و نیز پیدایش یکی از این میدان ها توسط تغییر میدان دیگر را توصیف می کنند.این معادله ها مبانی الکترومغناطیس (کلاسیک)ومهندسی برق به شمار می روند.
3-نظریه ریسمان.(string theory)شاخه ای ازفیزیک نظری و بیشتر مربوط به حوزه فیزیک انرژی های بالاست.بنا برآن، ماده در بنیا دی ترین صورت خود نه ذره بلکه ریسمان مانند است.یعنی تمام ذرات بنیادین (مثل الکترون، پوزیترون و فوتون)اگر با بزرگنمایی خیلی خیلی زیاد نگریسته شوند ریسمان دیس هستند.ریسمان می تواند بسته (مثل حلقه)یا باز(مثل بند کفش)باشد.حالت های مختلف نوسانی این ریسمانهای بنیادین نیز به صورت ذرات بنیادین گوناگون جلوه گر می شود.
4-نسبیت خاص، نظریه ای درباره اصول نسبیت و حرکت در چهارچوب های لخت می باشد.این نظریه در سال 1905 میلادی توسط آلبرت اینشتین فیزیکدان آلمانی الاصلی که تابعیت آمریکایی داشت مطرح شد.نسبیت خاص درک فیزیکی ما را از شماری از پدیده های اطراف خود که پیش از آن توسط نسبیت نیوتن و معادلات گالیله بررسی می شدند، تغییر می دهد.تاثیر نسبیت خاص هنگام بررسی اجسام در حال حرکت با سرعت های بسیار زیاد(نزدیک به سرعت نور)قابل ملاحظه می شود.
منبع :نشریه لذت فیزیک شماره 17