چگونه مانند آلبرت اینشتین فکر کنیم؟

10 مرداد 1390 Tiny آموزش  ››  عجایب و سرگرمیهای فیزیک

                                     این روز‌ها که جرات دیوانگی کم است...

دو قرن تمام ، والا حضرت آیزاک نیوتن پادشاه بی رقیب و قدرت مند فیزیک بود. نظام نیوتنی حرف آخر را در مسائل بنیادی علم و تصویر نهایی جهان می‌زد.
به یک باره دلاوری دیوانه، بر پادشاه شورید . شوالیه آلبرت اینشتین با نظریه ی نسبیت اش پادشاه را از تخت سلطنت به زیر کشید.
این دیوانگی لازمه ی چرخش در تاریخ علم و نحوه ی تفکر انسان هاست. برای پیش برد علمِ نوین، ناگزیریم اندیشه های دیوانه کننده ای مطرح کنیم که از دیدگاه های سنتی کاملا گسسته باشند. اندیشه هایی معماگونه.
فقط یک نابغه می‌تواند جرات چنین دیوانگی ای را به دل راه دهد. انباشت ارقام و اطلاعات در مغز، دلیل بر نبوغ نیست. نابغه با دیوانگی اش، در شناخت پیشین دخالت می‌کند. و آلبرت اینشتین چنین دیوانه ای بود- یا به عبارتی دیگر چنین نابغه ای- . قبل از او گذر از مفاهیم نیوتنی به تصویری جدید از جهان هیچ گاه این چنین قاطع و معما گونه نبوده است. این گذار در واقع نه فقط تعمیم و تکمیل کاری بود که نیوتن شروع کرده بود، بلکه انقلابی نیز در علم به راه انداخت.
نظریه ای که باعث چنین گذاری شد، بر اساس معیارهای معینی ساخته شده است. اینشتین در یادداشت هاش از دو معیار در انتخاب و ارزیابی نظریه های علمی سخن می‌گوید، یکی تایید بیرونی است: انطباق نظریه و تناقض نداشتن آن با واقعیت های تجربی. البته این انتظاری بدیهی است اما برآوردن آن مسئله ی ظریفی است. چرا که گاه می‌توان فرض هایی اضافی را به شکل مصنوعی وارد کرد و نظریه را با تجربه منطبق ساخت- در واقع نظریه را قبولاند- . معیار دوم کمال درونی یا طبیعی بودن نظریه است. نظریه نباید از بین نظریات هم ارز خودش به شکل دل خواه انتخاب شود. نظریه ای بیش ترین کمال درونی را دارد که کم تر بر فرض های دل بخواهی مبتنی باشد. چنین نظریه ای برای تبیین ساختار جهان و ساختن تصویری از آن بر مبنای قوانین یک نواخت و جهان شمول مناسب تر است.
البته اینشتین معتقد است این حرف‌ها چندان دقیق نیستند و شاید هیچ گاه هم نتوان دقیق ترشان کرد. اما وقتی دانشمندان در باره ی کمال درونی یا تایید بیرونی یک نظریه سخن می‌گویند، گویی توافقی ضمنی بین شان وجود دارد.
اینشتین با آن قوه ی تشخیص چشم گیری که در مورد هم آهنگی یا به گفته ی خودش موسیقی مندیِ تفکرِ علمی داشت، به تاثیر زیبایی شناختی نظریه - که آن را خاصیتی وابسته به کمال درونی می‌دانست - اهمیت زیادی می‌داد. پوانکاره نیز از مفهوم ظرافت ریاضی سخن می‌گوید و آن را این طور تعریف می‌کند: « هرچه قضیه های بیش تری بتوان از کم ترین فرض‌ها استخراج کرد، ظرافتِ ساخته ی ریاضی بیش تر است. » اما نگاه این دو نفر به ارزش ظرافت و موسیقی مندیِ نظریه متفاوت است. به نظر پوانکاره ظرافت در اصل، معنایی ندارد و معیاری برای انتخاب یک نظریه نیست. ظرافت یک نظریه ثابت نمی کند که آن نظریه نگاه عمیق تری دارد. اما اینشتین می‌گوید ظرافت شاخصی از معتبر بودن نظریه و قطعیت عینی آن است.
اینشتین چنان به این اصل عقیده داشت که وقتی آزمایش‌ها نظریه ی نسبیت را تایید کردند چندان هیجان زده نشد. او اصلا نگران نتیجه ی کار نبود. به نظرش نسبیت آن قدر طبیعی و موسیقی مند بود که امکان نداشت اشتباه باشد.
جهان مجموعه ی واحدی از اشیا است و به همین دلیلِ ساده است که وقتی نظریه ای از کم ترین فرض‌ها نشآت بگیرد به واقعیت نزدیک تر می‌شود. نظریه وقتی فقط مبتنی بر چند اصل موضوعه ی مستقل باشد به وحدت واقعی جهان نزدیک تر می‌شود و به بهترین شیوه ی ممکن آن را باز می‌تاباند.
این وحدت، در همگن بودن فضا و زمان، در انتقال از نقطه ای به نقطه ی دیگر در فضا و از لحظه ای به لحظه ی دیگر در زمان ،‌دیده می‌شود. همین ناوردایی قوانین فیزیک است که به علت مستقل بودن از جابه جایی های جزئی و موقت ، نقطه ی شروع حرکت در راه دست یابی به نظریه ی نسبیت می‌شود. اینشتین با هدف رسیدن به بیش ترین کمال درونی در نظریه اش، سعی کرد رابطه هایی در بیان قوانین فیزیک پیدا کند که در جابه جایی های موقت و جزئی هم وردا بمانند. به بیانی عام ، طبق اصل نسبیت، قانون های طبیعت مستقل از حرکت انتقالی دست گاه های مرجع هستند.
اصل بنیادی نظریه نسبیت اینشتین این است: « سرعت نور در تمام دست گاه های مرجعی که نسبت به هم حرکت بی شتاب دارند، یک سان است.»‌
کجای این اصل دیوانه کننده است؟ این جا: ‌دو شناگر از عرشه ی یک کشتی، درآب شیرجه می‌زنند. هردوشان سرعت یک سانی دارند . هرکدام به طرف یک انتهای کشتی شنا می‌کنند. بدیهی است شناگری که در خلاف جهت حرکت کشتی شنا می‌کند، زودتر از دیگری به انتهای کشتی می‌رسد. ولی طبق اصل جدید، شناگران هر دو با هم به دو انتهای کشتی می‌رسند. یعنی تندی آن‌ها نسبت به کشتی یک سان خواهد بود. نور این طور رفتار می‌کند. یعنی نسبت به جسم های مختلف که نسبت به هم حرکت می‌کنند ، سرعت واحدی دارد. حتی امروز هم بعد از صد سال به دشواری می‌توان تصور کرد که چیزی نسبت به دستگاه های متحرک نسبت به هم، سرعت واحد داشته باشد.
اما هر بیانی، هر قدر دیوانه وار به نظر برسد، حتما نباید باعث شگفتی و حیرت شود. در فرض هایی که اساس نظریه ی نسبیت را تشکیل می‌دهند، هیچ چیز دل بخواهی وجود ندارد. بر عکس، این فرض‌ها بر پایه ی استوار تجربی مبتنی اند. در واقع این خودِ حرکت است که با احساس های بدیهی ما در مشاهده ی رفتار جسم های فیزیکی تناقض دارد. دیوانه ی دوست داشتنی ِ ما این احساسِ بدیهی بودن را دور می‌ریزد.
در تصویر کلاسیک جهان، تمامی جسم‌ها در حرکت نسبی اند. مفهوم اتر پرکننده ی فضا، رخنه ای در چارچوب تصویر کلاسیک اولیه از جهان بود. نظریه ی نسبیت این چارچوب را مرمت کرد اما این مرمت به بهای نفی قانون بدیهی جمع سرعت‌ها بود.
اینشتین در نامه ای به موریس سولووینه ـ یکی از دوستان صمیمی اش - در این باره چنین می‌نویسد: « بر خلاف این حقیقت معلوم بر اندیشمندان باستان که حرکت را فقط به طور نسبی می‌توان ادراک کرد، فیزیک، خود را بر مفهوم حرکت مطلق استوار ساخت. در مبحث نور فرض می‌شد که نوعی حرکت متفاوت با حرکت های دیگر، یعنی حرکت در اتر درخشان وجود دارد که حرکت تمام جسم‌ها را می‌توان به آن ارجاع داد. بدین ترتیب اتر درخشان مفهوم سکون مطلق بود. اگر واقعا اتر درخشان ساکنی وجود می‌داشت که کل فضا را پر کند، می‌شد حرکت را به آن ارجاع داد و برای حرکت معنای مطلق قائل شد. این مفهوم می‌توانست شالوده ی مکانیک باشد اما وقتی تمام تلاش‌ها برای تشخیص چنین حرکت ارجحی در اتر درخشان فرضی ناکام ماند، می‌بایست در مسئله تجدید نظر کرد. این کار به طور نظام یافته در نظریه نسبیت انجام گرفت. نظریه ی نسبیت فرض را بر وجود نداشتن حالت های ارجح حرکت در طبیعت می‌گذارد و استنتاج های چنین فرضی را تحلیل می‌کند. »
در واقع اینشتین قدم به قدم تصویر جدیدی از جهان بر پا کرد. کار او اساسا کار خلاقانه ای بود. جنبه ی نفی آمیز مسئله، یعنی تخریب تصویر قدیم، فقط این بود که اینشتین نشان داد تصویر قدیم در مقایسه با تصویر جدید، تقریب نادقیق تری به واقعیت فیزیکی داشته است. رابطه ی سلسله مراتبی نسبیت و مکانیک نیوتنی، این امکان را فراهم می‌کند که مکانیک نیوتنی را توضیح دهیم. به چه علت در سرعت های معمول مشاهده ی ما با مکانیک نیوتنی در تضاد قرار نمی گیرد؟ به همین ترتیب هر آزمایشی که اعتبار مکانیک نیوتنی را تایید کند، در عین حال تایید مکانیک اینشتین نیز هست.
وقتی آزمایش مایکلسون اصل وجود اتر جهانی را به خطر انداخت، لورنتس برای توضیح این نتیجه، فرضیه ای ساخت: تمام جسم های متحرک نسبت به اتر، در جهت حرکت منقبض می‌شوند. او فرض کرد که همه ی اجسام از بارهای الکتریکی اولیه ای تشکیل شده اندو حرکت نسبت به اتر، نیروهایی پدید می‌آورد که بارها را در جهت حرکت جمع می‌کنند. فرضیه ی انقباض بی آن که تاثیری بر مبانی مکانیک کلاسیک بگذارد نتیجه های آزمایش مایکلسون را توضیح می‌داد. اما با معیارهای اینشتین برای یک نظریه ی علمی جور در نمی آمد. با حقیقت های قابل مشاهده انطباق می‌یافت ولی طبیعی نبود. یعنی از کمال درونی برخوردار نبود. همین بزرگ ترین نقطه ضعف آن بود: مختص به خود بود و برای آثار قابل مشاهده ای که مویدش باشند، مبنایی نداشت.
تفاوت مهم کار لورنتس با اینشتین در این بود که نظریه ی نسبیت بر خلاف انقباض لورنتس یک استنتاج پدیده شناختی نبود. فرمول های لورنتس حاوی چیزی مثل یک نظریه ی فیزیکی نبودند که بتواند راه را برای ارائه ی تصویری نوین از جهان باز کند.
وقتی حقیقت جدید و بسیار معما گونه ای، یعنی ثبات سرعت نور در تداخل سنج مایکلسون، نوعی توضیح را ایجاب کرد، لورنتس اندیشه ای مطرح کرد که ضمن سازگاری با حقیقت های جدید و نیز حقیقت های معلومِ قدیم، به طور طبیعی و مستقیما از آن‌ها مشتق نشده بود. توضیح اینشتین از حقیقت جدید و معما گونه، بر بازنگری تصویر کلی جهان و تفسیری کاملا نو از زمان و مکان، و به طور خلاصه بر تفسیری عمیق تر، عام تر و مشخص تر از کلیت حقیقت های معلوم مبتنی بود. نظریه نسبیت انقباض لورنتس را از اساسی ترین و عام ترین مفهوم های علم و از تحلیل دقیق تر و صریح تر مفهوم های زمان و فضا استنتاج می‌کند. خود لورنتس در این باره می‌گوید: « دست آورد اینشتین این است که نخستین کسی است که اصل نسبیت را به مثابه یک قانون جهان شمول دقیق و صحیح فرمول بندی کرد.»
اندیشه ی اساسی اینشتین در واقع ضرورت تصدیق تجربی ساخته های منطقی است. هیچ مفهومی نمی تواند در سازگاری پیش از تجربی با واقعیت باشد بلکه باید به استنتاج هایی بینجامد که بتوان آن‌ها را با تجربه تصدیق کرد. حرکت مطلق را نمی توان این گونه تایید کرد. استنتاج های نظریه نسبیت از فرض های هوشمندانه ناشی نمی شوند بلکه به طور طبیعی از اصول عام پیروی می‌کنند.
اینشتین می‌نویسد هر مفهوم فقط به دلیل ارتباط روشن و آشکار خود با پدیده‌ها و نتیجتا با واقعیت فیزیکی، حقِ وجود دارد. در نظریه ی نسبیت مفهوم هایی چون هم زمانی مطلق، سرعت مطلق، شتاب مطلق، و جز آن نفی شده اند، ‌چرا که هیچ ارتباط آشکاری با تجربه ندارند... لازم بود که هر مفهوم فیزیکی را طوری تعریف کرد که بتوان تصمیم اصولی گرفت که آیا با واقعیت سازگاراست یا نه. »
می توان گفت که بلوغ ذهنی بسیاری از کودکان و نوجوانان از جهتی تکرار تکامل تفکر انسان به طور کلی است: تفکرات عام درباره ی واقعیت فیزیکی با علایق پخته تر و مشخص تر دنبال می‌شوند. اینشتین این احساس نخستین نگاه به جهان را بدون این اعتقاد بالغانه تجربه کرد که گویا مسئله های اساسی جهان همگی حل شده اند. این احساس با کسب شناخت عمیق تر یا رشد علایق جدید خاموش نشد. اینشتین در مسئله های حرکت غور کرد و به اندیشه ای رسید که به کودکی بشر تعلق داشت: اندیشه ی باستانی نسبیت!
منبع:articlesinfa.blogfa.com

بعدي >