همبالی آموزشی

آیا واقعاً چیزی در جهان وجود دارد؟

سؤال عجیبیست ولی قصد دارم نشان دهم که پاسخ آن چندان عجیب نیست.

قبل از هر چیز باید منظورم را از "چیز" در سؤال بالا معین کنم. اولین پاسخی که به ذهن می رسد "جرم "(Mass ) است. بنابر این برای آنکه مفهوم سؤال دقیق تر شود تا به بررسی فیزیک مربوطه بپردازیم در سؤال بالا "جهان" را فضای تهی و یا همان خلاء و "چیز" را همان جرم در نظر می گیریم. پس سؤال با یک دگردیسی به این شکل در می آید: آیا چیزی بجز فضایی خالی وجود دارد؟

بگذارید از مفاهیم آشنا و روزمره و بسیار مقدماتی شروع كنیم و این سیر را به اعماق بیشتری ادامه دهیم. مفاهیمی هم که بکار می بریم بر اساس زبان عرفی است و لذا از موشکافی علمی مقداری فاصله دارد ولی همانطورکه در ادامه، مطالب علمی تر شد، زبان آن نیز بصورت دینامیکی دقیق تر خواهد شد.

برای كسانی كه با مفاهیم روزمرهء علمی آشنایی دارند روشن است كه فضای بالای سر ما چقدر خالی است. در منظومهء شمسی تمام سیارات مجموعاً كسر نا چیزی در مقابل  خورشید هستند. در واقع در مقابل خورشید می توان آنها را كاملاً نادیده گرفت. فاصلهء خورشید تا اولین ستارهء همسایه اش 4.3 سال نوری است. این در حالیست كه شعاع خورشید حدود دو ثانیهء نوریست. دو ثانیه را با 4.3 سال مقایسه كنید تا نسبت فضای خالی بین ستاره ای را احساس كنید. این سیر را به طرف مقیاس های بالاتر ادامه نمی دهم چون هر كسی شب هنگام اگر نگاهی به آسمان بیاندازد متوجه این خالی بودن می شود. تازه ما در منظومه ای ستاره ای، در داخل یك كهكشان، كه آن نیز در منطقهء خوشهء محلی كهكشانها، و این خوشهء محلی در داخل ابر خوشهء كهكشانی واقع است و لذا ما در یكی از نواحی شلوغ جهان هستیم و باز هم آسمانمان، فضایی تاریك و خالی، با ستاره هایی پراكنده در آن است!. ولی این سیر را به طرف پایین می خواهم ادامه دهم چون همهء ما طبیعت اطراف و موجودات و مواد پیرامونمان را نسبتاً پر احساس می كنیم. مثلاً بدن ما و یا اصلاً آهن و فلزات، آیا پر و چگال به نظر نمی رسند؟

ولی حقیقت چیز دیگریست. این را تمام عزیزان درس خوانده می دانند كه هر اتم دارای هسته و ابری از الكترونهاست كه حول هسته در گردشند. می دانید كه جرم الكترون حدود 1/2000 جرم پروتون و نوترون است. لذا همهء جرمی كه در اجرام می بینیم در واقع ناشی از هسته است نه الكترونها. بین الكترونها و هستهء اتم، حدود یك آنگستروم یعنی 10-10 متر (یك ده میلیاردم متر) فاصله است. این در حالیست كه ابعاد هسته در حدود یك فرمی یعنی 10-15 متر است یعنی ابعاد هسته 1/100000 ابعاد اتم است. به عبارتی اگر اتم را كره ای به شعاع 1 كیلومتر فرض كنیم تمام جرم اتم در كره ای به شعاع یك سانتیمتر قرار دارد و الکترونها در فاصلهء یک کیلومتری از آن در حرکتند و بین آنها فضایی خالی است. بنابراین اگر بقیهء فضاهای خالی داخل بدن و نیز بین مولكولی و بین اتمی را كنار بگذاریم و فرض كنیم بدن ما جسمی پر و با ابعاد حدود 1 متر باشد، تمام جرم بدن ما در یك صدم یك میلیمتر یعنی در كمتر از نوك سوزن جا می شود و بقیه اش فضای خالیست!. ولی باز اینها هم مقدمات است برای آنچه كه اصل گفتار است! جهانی كه می بینیم بسیار خالی تر از آن چیزی است كه به ظاهر می آید.

گفتیم كه بدن ما كاملاً تو خالیست. بدن ما شامل یك نوك سوزن جرم است و بقیه ء آن فضایی خالیست. حال ببینیم كه آن نوك سوزن جرم چیست؟

در فیزیك نیوتونی، جرم مفهومی پایستار(conservative) بود یعنی مقدار جرم موجود در جهان نمی توانست تغییر كند و هرگز در مجموع نه نابود و نه آفریده می شد و تنها می توانست تغییر شكل بدهد. نظریهء نسبیت این نگاه را تغییر داد. در نسبیت جرم و انرژی مفاهیمی هم ارز هستند. یعنی می توانند بطور اصولی به یكدیگر تبدیل شوند. بطور مثال در فیزیك ذرات بنیادی، الكترون و ضد ذرهء آن (پوزیترون) كه  هر دو جرمدار هستند در برخورد با یكدیگر نابود می شوند و یك جفت فوتون تولید می كنند كه می دانیم كه جرم آنها صفر است. اینكه می گوییم جرم فوتون صفر است یعنی فوتون ایستا نداریم و به عبارتی فوتون ذره ایست كه فقط با سرعت نور حركت می كند و لذا بطور دقیقتر می گوییم جرم سكون فوتون صفر است. همچنین بطور معكوس، فوتون می تواند در طی فرآیند تولید زوج، یك جفت ذره و ضد ذره تولید كند كه دارای جرم باشند و به تعبیر دیگر انرژی (فوتون) به جرم تبدیل می شود. با چنین تعبیری فوتون كه ذرهء كوانتومی حامل میدان الكترومغناطیسی است، حامل انرژی است كه براساس نسبیت، معادل جرم است. برای توصیف این امر، نیاز مبرمی هم به مفاهیم كوانتومی نبود چرا كه بنابر نظریهء الكترومغناطیس ماكسول، میدان الكترومغناطیسی دارای انرژی بوده و لذا بطور معادل این میدان دارای جرم است.

چنین وضعیتی برای میدان گرانشی هم برقرار است ولی توضیح وضعیت آن مقداری فرمول نیاز دارد و یك كمی واژه های نامأنوس كه در اینجا چندان خریداری ندارد!. خلاصهء آن چنین است كه حتی بدون حضور هرگونه جرم و میدان فیزیكی دیگری، باز هم میدان گرانشی می تواند وجود داشته باشد ولی تعبیر مستقیم جرم برای آن چندان سرراست نیست. به زبانی ساده، امواج گرانشی كه حامل انرژی گرانشی هستند به نحو صریحی توزیع انرژی را بصورتی كه در هر نقطه قابل تعریف باشد نمی دهند و لذا بین دو نقطه ای كه این امواج گسیل شده اند، فضایی تخت را می توان تصور كرد كه مطلقاً خالی از هر نوع میدانی باشد ولی انرژی حمل شده توسط امواج گرانشی بستگی به گسترهء این ناحیه و به عبارتی فاصلهء این دو نقطه داشته باشد. چنانچه بنا باشد این انرژی به نقطهء خاصی وابسته باشد (localization) این نقطه جایی در فضایی تخت است كه خالی از هرگونه میدانی است. یادمان باشد كه در نسبیت عام هرگونه جرم – انرژی در فضا باعث انحنای فضا می شود و لذا فضای تخت، فضایی كاملاً خالی از هرگونه میدان و انرژی است. لذا در این دیدگاه مقدار ماده (جرم - انرژی) مورد اشاره یا در جایی در فضاییست كه مطلقاً خالی است و یا در هیچ كجا نیست[1]!.

لذا می توان كل مطلب را چنین خلاصه كرد كه بدون به میان كشیدن آثار ناشی از نظریهء كوانتومی و  فرزندان آن مانند نظریهء میدان كوانتومی و نظریه های پیمانه ای و دستاوردهای مربوط به فیزیك ذرات بنیادی، حتی نظریه های فیزیك كلاسیك نیز ما را متوجه موضوعی نامأنوس و عجیب در مورد جهان اطرافمان می كنند و آن این است كه ظاهراً هیچ خط متمایز جدی و مشخصی بین آنچه كه ما ماده و یا جرم می نامیم و آنچه كه فضای خالی نامیده می شود وجود ندارد. به عبارت دیگر ماده و فضا (یعنی آنچه كه ما خلائی مطلقاً خالی از هر چیز می نامیم) دو نوع موجود كاملاً متفاوت محسوب نمی شوند و هیچ مرز و خط فاصل معینی نمی توان بین آن دو در نظر گرفت. این نكات نشان می دهد كه آنچه كه تصور متعارف ما از طبیعت و جهان اطرافمان را شكل می دهد چندان هم كه در ابتدا تصور می شود منطبق بر حقیقت نیست.  نتایج و جنبه های ناشی از نظریهء كوانتومی كه ساختارهای احتمالاتی و ابرگونه و غیر موضعی را مجاز دانسته و توزیع های احتمالی برای ذرات بنیادی (كه سنگ بناهای زیرین جهان هستند) در نظر گرفته و در نهایت همه چیز با اغتشاشات و تلاطمهای خلاء بروز می یابد، چنین نتایجی را تقویت می كند.

حال باید پرسید كه آیا با چنان نتایجی كه از نگاه دقیقتر ما به طبیعت و جهان ناشی شده است و با كاوشی موشكافانه تر از دریافت عادی و عرفی از جهان در طی تطور تفكر علمی، و بر اساس نظریات فیزیكی ما به دست آمده است به راستی می توان ادعای مطمئن و محكمی در مورد وجود چیزی مجزا و سوای از فضائی مطلقاً خالی داشت؟ همانطوركه دیدیم، بر اساس آنچه كه تا به حال دریافته ایم نمی توان مرز مشخص و متمایزی بین ماده و فضای خالی كشید و اكنون با این بصیرت، دوباره این سؤال را باید پرسید: آیا واقعاً چیزی در جهان وجود دارد؟

 " [1]The Mass of the Classical Vacuum", by Sir Roger Penrose, in  The Philosophy of Vacuum edited bySimon Saunders and Harvey R. Brown, Clarendon Press, Oxford.

Source : http://www.major-physics.blogfa.com/post-739.aspx