چرا قوانین فیزیک واقعاً وجود ندارند؟


تونل کوانتومی

قوانین فیزیک ممکن است آنطور که به نظر می رسند نباشند

یویچیرو چینو/گتی ایماژ

مطلب زیر گزیده ای از خبرنامه ما در فضا-زمان گمشده است. هر ماه، صفحه کلید را به یک یا دو فیزیکدان می‌دهیم تا درباره ایده‌های جذاب گوشه‌ای از جهان به شما بگویند. در اینجا می توانید برای Lost in Space-Time ثبت نام کنید.

اخیرا در حال خواندن مقاله ای قدیمی از نظریه پرداز ریسمان رابرت دایکگراف بودم مجله کوانتا با عنوان “هیچ قانون فیزیک وجود ندارد“. شاید برای شما کمی عجیب باشد که یک فیزیکدان ادعا کند که قوانین فیزیک وجود ندارد، اما من با او موافقم. در واقع، نه تنها با او موافقم، بلکه فکر می کنم رشته من برای آن بهتر است. و امیدوارم بتوانم شما را نیز در این مورد متقاعد کنم.

اول از همه. آنچه ما اغلب قوانین فیزیک می نامیم، در واقع فقط نظریه های ریاضی منسجمی هستند که به نظر می رسد با بخش های خاصی از طبیعت مطابقت دارند. این به همان اندازه برای قوانین حرکت نیوتن صادق است که برای نظریه های نسبیت انیشتین، معادلات شرودینگر و دیراک در فیزیک کوانتوم یا حتی نظریه ریسمان صادق است. بنابراین آنها واقعاً قوانینی نیستند، بلکه روشهای دقیق و منسجمی برای توصیف واقعیتی هستند که می بینیم. این باید از این واقعیت آشکار شود که این قوانین ثابت نیستند. آنها با بهبود دانش تجربی ما از جهان تکامل می یابند.

موضوع اینجاست. اگرچه بسیاری از دانشمندان وظیفه خود را کشف این قوانین نهایی می دانند، من به سادگی وجود آنها را باور ندارم.

صد سال پیش، چنین نظری بحث برانگیز نبود. پیش از این، بیشتر قوانین به اصطلاح فیزیک همگی مستقیماً با جنبه های عینی جهان طبیعی مرتبط بودند، مانند قانون هوک که نیروی مورد نیاز برای کشش فنر یا قانون بویل رابطه بین فشار، دما و حجم گاز را توصیف می کند. اما در اوایل قرن بیستم زمانی که افرادی مانند آلبرت انیشتین تصمیم گرفتند نظریه نهایی همه چیز را بیابند، این وضعیت شروع به تغییر کرد. او 30 سال آخر عمرش را صرف یافتن یکی از آنها کرد که هیچ فایده ای نداشت. دیراک نیز به این دیدگاه اعتقاد داشت، زیرا ظاهراً گفته بود که تمام شیمی را می‌توان به سادگی از معادله او استخراج کرد – اگرچه من فکر می‌کنم آن اظهارنظر خاص احتمالاً غیرمعمول است.

تقریباً 86 میلیارد نورون در مغز انسان وجود دارد. این تعداد کمتر از تعداد ستارگان راه شیری است که تنها بخش کوچکی از جهان شناخته شده است. جهان در مقایسه با ظرفیت محدود مغز انسان تقریبا بی نهایت به نظر می رسد و شاید شانس کمی برای درک قوانین نهایی برای ما باقی بگذارد. آنچه شگفت انگیز است این است که ما می توانیم جنبه های خاصی از جهان را از طریق قوانین فیزیک درک کنیم. شاید این ریچارد فاینمن بود که برای اولین بار گفت که مسئله این نیست که ما انسان ها چقدر در درک نحوه عملکرد طبیعت باهوش هستیم، بلکه این است که طبیعت چقدر در پیروی از قوانین ما باهوش است!

همانطور که در مورد طبیعت یاد می گیریم، می توانیم توصیفات خود را از آن اصلاح کنیم، اما این بی پایان است – مانند پوست کندن یک پیاز بی پایان، هر چه بیشتر پوست کنده باشیم، پوست بیشتری برای پوست گرفتن وجود دارد.

تئوری ریسمان را مثال بزنید. این یک نظریه ریاضی بسیار دقیق و نسبتاً جادویی است که به طور مساوی با گرانش و مکانیک کوانتومی برخورد می کند، که با بسیاری از مشاهدات ما از جهان مطابقت دارد. این نوید بزرگی را نشان می‌دهد، اما تاکنون برای ارائه پیش‌بینی‌های قابل آزمایش دقیق فراتر از درک فعلی ما تلاش کرده است.

همچنین دارای یک مانع نسبتاً خاردار است که به عنوان مشکل منظره شناخته می شود، جایی که به معنای واقعی کلمه هزاران هزار جهان (حدود 10)500، تعداد آنقدر زیاد است که زشت به نظر می رسد) از راه حل های قابل قبول این نظریه هستند. اگر نظریه ریسمان درست باشد، می‌توانیم پیروزی را اعلام کنیم، زیرا یکی از آن هزاران جهان باید جهان ما باشد، و تنها کاری که باید انجام دهیم این است که به نحوی آن راه‌حل را پیدا کنیم تا بفهمیم قوانین فیزیک برای ما چیست. البته، این یک کار غیرممکن است به دلیل تعداد بسیار زیاد جهان های ممکن موجود در چشم انداز، و همه با قوانین متمایز خود.

این سناریو اغلب چندجهانی نامیده می شود. همه قوانین ممکن، قابل تصور و غیرقابل تصور، در یک جهان ممکن مجاز هستند، و قوانین فیزیک دیگر به هیچ وجه اساسی یا منحصر به فرد نیستند، زیرا کاملاً به این بستگی دارند که فرد به کجا در چشم انداز نگاه می کند. طعنه آمیز است که معلوم شد نظریه همه چیز شامل یک کل است که به طور تصاعدی بزرگتر از هر چیزی است که قبلاً کسی می توانست تصور کند.

یک نتیجه احتمالی از این موضوع این است که رویکرد تقلیل گرای مرسوم به فیزیک ذرات، که در آن قوانین طبیعی به طور فزاینده ای بر بلوک های سازنده کوچکتر و کوچکتر (مانند مولکول ها، اتم ها و ذرات) و نیروهای اساسی (مانند گرانش و الکترومغناطیس) که بین آنها عمل می کنند، متمرکز می شوند. روشی پربارتر برای نگاه کردن به دنیای فیزیکی نیست. 10500 جهان، با تنها یکی از آنها احتمالاً از قوانین لازم برای انطباق پیروی می کند یک مرد دانا.

ما فقط با چشم انداز باقی مانده ایم، جایی که “قوانین” به جهان خاصی که با آن سر و کار داریم بستگی دارد. آنقدر پیچیده است که کل ایده قوانین طبیعی باید تغییر کند. این پایانی به ظاهر عجیب برای سفری ستودنی است که 2500 سال پیش با اتم ها به عنوان اجزای فرضی تقسیم ناپذیر ماده آغاز شد و شاهد پیروزی بزرگ اخیر در کشف تجربی ذره هیگز در سال 2012 بود. در پایان، قوانین فیزیکی ما ذاتی نیستند. همه چیز کاملاً به جایی که در چشم انداز هستیم بستگی دارد.

به عنوان یک فیزیکدان ماده متراکم نظری، این سناریو را اصلا دلسردکننده نمی‌دانم، برعکس. این واقعیت که اساساً تعداد نامحدودی از قوانین ممکن وجود دارد، فقط علم را هیجان‌انگیزتر می‌کند، زیرا کاوش در مناظر برای همیشه یک فعالیت فعال و خلاقانه باقی خواهد ماند. فیزیک نظری هرگز نمی تواند پایان یابد زیرا چشم انداز به سادگی بسیار وسیع است.

من از تجربه ۴۰ ساله‌ام در کار با پدیده‌های فیزیکی واقعی می‌دانم که کل ایده یک قانون نهایی مبتنی بر یک معادله با استفاده از بلوک‌های سازنده و نیروهای اساسی غیرقابل تحقق و اساساً یک خیال است. ما هرگز نمی دانیم دقیقاً کدام معادله یک موقعیت آزمایشگاهی خاص را توصیف می کند. در عوض، ما هنوز باید مدل‌ها و تقریب‌هایی برای توصیف هر پدیده بسازیم، حتی اگر می‌دانیم که معادله کنترل‌کننده آن در نهایت نوعی معادله شرودینگر است!

و مکانیک کوانتومی؟ ممکن است بپرسید نزدیک به 100 سال است که در تطبیق تمام تجربیات ما با مقیاس کوانتومی بسیار موفق بوده است. اما مکانیک کوانتومی در واقع بیشتر شبیه به مجموعه‌ای از قوانین است که ما از آنها برای بیان قوانین خود استفاده می‌کنیم تا خود قانون نهایی. به عنوان مثال، مدل استاندارد فیزیک ذرات، نظریه ابررسانایی، و نظریه طیف اتمی همه با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی ساخته شده‌اند، اما ارتباط چندانی با یکدیگر ندارند. علاوه بر این، مکان و زمان متغیرهایی هستند که باید با دست در تئوری قرار گیرند، در حالی که مکان و زمان باید به طور طبیعی از هر قانون نهایی فیزیک ناشی شود. این شاید بزرگترین راز در فیزیک بنیادی بدون هیچ راه حلی در چشم باشد.

تصور اینکه هزار سال بعد، فیزیکدانان همچنان از مکانیک کوانتومی به عنوان توصیفی اساسی از طبیعت استفاده کنند، سخت است. تا آن زمان چیز دیگری باید جایگزین مکانیک کوانتومی شود، همانطور که خود مکانیک کوانتومی جایگزین مکانیک نیوتنی شد. من نمی‌دانم آن چیز دیگری چه می‌تواند باشد، اما دلیل خاصی نمی‌بینم که چرا توصیف ما از نحوه عملکرد جهان فیزیکی ناگهان در آغاز قرن بیست و یکم به اوج خود برسد و برای همیشه در مکانیک کوانتومی گیر کند. این یک فکر واقعا ناامید کننده خواهد بود!

قوانین نیوتن به مدت 300 سال به طور خارق العاده ای موفق بوده اند، اما ما مجبور شدیم بر آنها غلبه کنیم زیرا بیشتر در مورد جهان می آموزیم، و همین امر باید در مورد قوانین کوانتومی روزی در آینده اتفاق بیفتد.

هر نظریه ناشناخته جدیدی در مورد آینده باید بر پایه و ترکیب فیزیک مکانیک کوانتومی باشد، همانطور که مکانیک کوانتومی مبتنی بر مکانیک کلاسیک است و در آن گنجانده شده است. درک ما از جهان فیزیکی باید به طور نامحدود ادامه یابد، بدون هیچ مانعی در جستجوی قوانین نهایی. قوانین فیزیک به طور مداوم در حال تکامل هستند – آنها هرگز نهایی نخواهند بود.

شانکار داس سرما یک فیزیکدان نظری مستقر در دانشگاه مریلند، کالج پارک است. علایق او متنوع است، از خواص عجیب ماده گرفته تا نحوه درک اطلاعات در قلمرو کوانتومی.

درباره این موضوعات بیشتر بدانید:


منبع: https://www.newscientist.com/article/2349359-why-the-laws-of-physics-dont-actually-exist/?utm_campaign=RSS%7CNSNS&utm_source=NSNS&utm_medium=RSS&utm_content=home

توسط احمد گل کار

احمد گل کار