آیا فیزیک به پایان خود رسیده است؟

برخی می‌گویند علم فیزیک به پایان خود رسیده است و فقط چند مسأله بزرگ باقی‌مانده است که امیدی نیست به این زودی‌ها حل شوند. در مقاله زیر که توسط روبرت دیکگراف رئیس موسسه مطالعات پیشرفته پرینستون (IAS) نوشته شده و در مجله کوانتا منتشر گردیده است، این ادعا بررسی و به آن پاسخ داده می‌شود.

آیا فیزیک تمام شده است؟

قرن ۲۱ اغلب به عنوان عصر زیست‌شناسی یا هوش مصنوعی یا هر زمینه نوظهور دیگر شناخته می‌شود. در چنین دیدگاه‌هایی فیزیک را مربوط به قرن پیش می‌دانند- عصر طلایی نظریه‌های انقلابی نسبیت و مکانیک کوانتوم، و اکتشافات ذرات بنیادی که زنجیره‌ای از جوایز نوبل را به ارمغان آورد. امروز، مردم نگران «سناریوی برهوت» هستند، که هیچ ذره‌ی جدیدی طی چندین دهه کشف نشود یا هرگز کشف نشود.

در دو دهه‌ی آغازین قرن حاضر موفقیت‌های بزرگی برای فیزیک حاصل شد.

من معتقدم این دیدگاه حداقل به سه طریق اشتباه است. اول از همه، این موضوع که فیزیک از اوج خود گذشته، در دو دهه‌ی آغازین قرن حاضر موفقیت‌های بزرگی برای فیزیک حاصل شد. در سال ۲۰۱۲ کشف ذره هیگز را شاهد بودیم، آشکارسازی امواج گرانشی در ۲۰۱۵ رخ داد و اولین تصویر از افق رویداد سیاه‌چاله در ۲۰۱۹ بدست آمد. این سه رویداد مثالی از ابر رویدادهای علمی نادری بودند که در صفحه اول روزنامه‌های دنیا تیتر شدند و فکر جهانیان را تسخیر کردند.

اما، می‌توانید بگویید، بذر اولیه‌ای که منجر به این اکتشافات شد همگی در روزهای طلایی قدیم فیزیک پاشیده شده بود. سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی پیامدهای مستقیم معادلات آلبرت اینشتین بودند که در ۱۹۱۵ ارائه داد. شاید ایده‌های اصلی فیزیک به اتمام رسیده است؟

این حرف ما را به استدلال دوم می‌رساند. پیشرفت‌های اخیر در کیهان‌شناسی به ما امکان می‌دهد که با دقت قابل قبولی بگوییم که ۹۵ درصد از کیهان ناپدید است. این اجزاء مفقود شامل ماده تاریک و انرژی تاریک، هر دو شکلی اسرارآمیز از فیزیک جدید در خود دارند. همچنان که چنین اسراری هنوز ناگشوده باقی مانده است- و دیگر اسرار- کار فیزیک به پایان نرسیده است. ( همچنین من احتمالا باید اضافه کنم که فهم همان ۵ درصد پیدا از عالم نیز دستاورد شگفت‌انگیزی است.)

من معتقدم که آنچه در حال حاضر می‌دانیم بخش بسیار ناچیزی از فیزیک است که وجود دارد و منتظر است تا کشف شود.

دلیل سوم که برای مرگ فیزیک گزارش می‌کنند به صورت بسیار اغراق شده از اشتباه بنیادی‌تر می‌آید: تعریف پیشرفت فیزیک بر حسب کشف یک ذره یا نیروی جدید، دیدگاهی کوته‌نظرانه است. چنین دیدگاهی بخش عظیمی از نظام فیزیک را نادیده می‌انگارد، و آنچه که همچنان قابل دستیابی است را به صورت عمده دست کم می‌گیرد. در واقع، من معتقدم که آنچه در حال حاضر می‌دانیم بخش بسیار ناچیزی از فیزیک است که وجود دارد و منتظر است تا کشف شود.

هدف فیزیک فهم دقیق و ریاضیاتیِ همه نمودهای ماده و انرژی در عالم است- و ما به شکلی ساده تازه شروع به اکتشاف بی‌نهایت امکان‌های متفاوت کرده‌ایم. ادعای این‌که فیزیک به پایان رسیده است مثل آن است که بگوییم ریاضیات پس از معرفی اعداد طبیعی و اعمال جبری مقدماتی به پایان خود رسید، یا این‌که شیمی با کشف جدول تناوبی دیگر به پایان رسید. یادگیری قواعد شطرنج شما را استاد بزرگ نمی‌سازد.

حقیقت این است که، مرز دنیای ذرات تنها جایی نیست که می‌توانید قوانین بنیادی فیزیک را بیابید. آن‌ها می‌توانند از رفتار جمعی اجزای سازنده متعدد نیز «پدیدار» شوند. مثالی ساده از این دست، امواج صوتی است، نوسانات هم‌زمان شده‌ی مولکول‌ها در ماده. با استفاده از قواعد نظریه کوانتومی، این امواج را می‌توان بر حسب ذرات توصیف کرد. این ذرات که «فونون» نامیده می‌شوند، بسته‌های بنیادی یا «کوانتا»های صوت هستند، و رفتارشان شبیه به فوتون‌ها، کوانتای نور است. پس، شبیه به شخصیت تخیلی بارون مانتشاوزون که خودش را روی یک مرداب با کشیدن موی سر خود معلق کرد، فیزیک نیز خود-تعلیق است- از خودش می‌توان استفاده کرد تا دیدگاه بنیادی جدیدی تولید کرد، که سپس می‌توان با ریاضیات دقیق فرمول‌بندی کرد.

در مواجهه با تعداد بی‌شماری از سیستم‌های فیزیکی می‌توانیم از قطعات بنیادین شناخته شده‌ی عالم استفاده کنیم، من شروع به تجسم دیدگاه وارونه‌ی فیزیک می‌کنم. به جای مطالعه‌ی پدیده‌ی طبیعی، و کشف متعاقب یک قانون طبیعی، می‌توان در ابتدا قانون جدیدی را طراحی کرد و سپس سیستم را مهندسی معکوس کرد بطوری که پدیده‌ای را که توسط آن قانون توصیف شده را نمایش داد. برای مثال، فیزیک بسیار فراتر از فازهای ساده‌ی ماده که در دبیرستان معرفی می‌شوند- جامد، مایع، و گاز – رفته است. فازهای «عجیب و غریب» بالقوه‌ای، توسط پیامدهای عجیب مکانیک کوانتومی ممکن شده‌اند، که در دسته‌بندی اکتشافات نظری قرار دارند، و می‌توانیم اکنون شروع به نمود بخشیدن به این امکان‌ها در آزمایشگاه کنیم.

همه این‌ها بخشی از یک تحول بسیار بزرگتر در حوزه علمی است ، از مطالعه آنچه که هست به آنچه ممکن است باشد. در قرن بیستم، دانشمندان به دنبال عناصر سازنده‌ی واقعیت بودند: مولکول‌ها، اتم‌ها و ذرات بنیادی که همگی سازنده ماده هستند؛ سلول‌ها، پروتئین‌ها و ژن‌هایی که حیات را ممکن می‌سازند؛ بیت‌ها، الگوریتم‌ها و شبکه‌هایی که بنیان اطلاعات و هوش را می‌سازند، هم هوش انسانی و هم هوش مصنوعی. در عوض، در این قرن، ما شروع به اکتشاف چیزهای دیگری که باید با این عناصر سازنده ساخته شود می‌کنیم.

طبیعت طی ۱۴ میلیارد سال انبساط کیهانی و ۴ میلیارد سال حیات روی زمین، تنها جزء بسیار کوچکی از تمام طراحی‌های ممکن را کاوش کرده است. همچنان که ریچارد داوکینز زیست‌شناس خاطرنشان می‌کند، ما موجودات انسانی- در کنار دیگر ارگانیسم‌هایی که تاکنون زیسته‌اند- برندگان خوش‌شانسی در لاتاری کیهانی هستیم. از میان تعداد حالت‌های بی‌شمار ژنتیکی، کدهای ژنتیکی ما به صورت تصادفی به عنوان پیش‌نمونه‌های زنده انتخاب شده‌اند. بطور مشابه همین برای تمام شکل‌های ماده اطراف ما نیز صادق است. فرآیندهای طبیعی روی زمین و در عالم تنها یک نمونه کوچک از کل منوی مولکول‌ها و شکل‌های ماده را تولید کرده است، و در نتیجه آن قوانین فیزیکی متناظری که این ماده از آن تبعیت می‌کند را ایجاد کرده است.

اما اکنون همه چیز در حال تغییر است. روند کند و آزاردهنده‌ی کشف در طبیعت، که توسط تکامل زیست‌شناختی و کیهانی در مقیاس میلیون‌ها و میلیاردها سال به پیش رفته است، اکنون در آزمایشگاه با سرعت سرسام‌آوری شتاب گرفته است. چنین کاری ممکن است، در ابتدا شبیه به علم «مصنوعی» به نظر برسد. اما یک باکتری طراحی شده‌ی ژنتیکی کمتر واقعی نیست، یا ارزش مطالعه کمتری، نسبت به آنچه در حیات وحش یافت می‌شود ندارد. و همچنین مواد یک و دو بعدی بدیعی که حس کنجکاوی نظریه کوانتوم را نشان می‌دهند. بلکه، چنین فناوری‌های جدیدی بطور مؤثر مکانیک کوانتوم را از حصار اتم‌ها و مولکول‌ها آزاد می‌کند و آن را در مقیاس ماکروسکوپی زندگی روزمره می‌آورد. در برهه‌ای از زمان، ما می‌توانیم همه موارد موجود در منوی واقعیت را سفارش دهیم.

علم مربوط به همه پدیده‌هاست، از جمله آن‌هایی که در آزمایشگاه‌ها و درون سر ما خلق می‌شوند. وقتی که ما به طور کامل از این دامنه بزرگتر دانش آگاهی پیدا کنیم، تصویری متفاوت از فعالیت تحقیقاتی پدیدار می‌شود. اکنون، در نهایت، کشتی علم آب‌راه‌های داخلی که توسط طبیعت ایجاد شده‌اند را ترک می‌کند، و به سوی اقیانوس‌های آزاد حرکت می‌کند، و یک دنیای جدیدِ نو با مواد «مصنوعی»، ارگانیسم‌ها، مغز‌ها و شاید نسخه‌ی بهتری از خود ما را اکتشاف خواهد کرد.

بنابراین چشم‌انداز خوش‌بینانه من از فیزیک برای همه شاخه‌های دیگر علوم به همان اندازه صادق است: ماجراجویی تازه آغاز شده است!