مورای جل – من: در باب زیبایی و حقیقت در فیزیک

از اینکه عکس همکارهای من را اینجا نصب کردید، متشکرم. (خنده) در مورد اونها صحبت خواهیم کرد . حالا، قصد دارم یک آزمایش انجام بدم. البته کار من آزمایش انجام دادن نیست. من یک نظریه پردازم. اما دوست دارم ببینم اگه این دکمه رو فشار بدم چه اتفاقی می افته. بله، همانطور که حدس می زدم. بسیار خوب. کار من تحقیق بر روی ذرات بنیادی بود. برای ماده چه اتفاقی می افته اگه اون را تا اونجا که می شه ریز ریز کنیم ؟ از چی ساخته شده است؟ و قوانین حاکم بر این ذره ها سرتاسر گیتی معتبر است، و رابطه تنگاتنگی بین اونها و تاریخ جهان وجود داره.
همه ما در مورد چهار نیروی اصلی خیلی می دونیم .البته تعداد اونها بایستی خیلی بیشتر باشه، اما حوزه عملکرد اونها فقط در فواصل خیلی خیلی کمی است . و ما هنوز خیلی باهاشون ارتباط برقرار نکردیم. چیز اصلی که می خوام راجع بهش صحبت کنم اینه که: ما این تجربه چشمگیر رو در مطالعه این بخش از فیزیک بنیادی داریم که زیبایی یک معیار موفق در انتخاب یک تئوریِ درست است. و اینکه به راستی چرا باید اینجور باشه؟
خب، اینجا یک مثال از تجربه شخصی ام رو می گم. در واقع این اتفاق تا حدودی هم بهت آوره. سه یا چهار نفر از ما در سال ۱۹۵۷، یک نظریه نسبتاً کامل از یکی این نیروها، موسوم به نیروی ضعیف، را مطرح کردیم. که با آزمایشات هفتگانه مغایرت داشت. همه این آزمایشها غلط بودند.
و ما نظریه مان را قبل از اینکه اینرو بدونیم منتشر کردیم . ما می گفتیم چون نظریمون قشنگه پس بایستی درست هم باشه! [ما بر این عقیده بودیم که] آزمایشها غلط اند، که غلط هم بودند. حالا دوستمون که اونجاست، آلبرت انشتین، اصلا توجه نمیکرد، وقتی بهش میگفتن "یه نفر آزمایشی انجام داده که به نظر می یاد با نسبیت خاص توافق نداره. نظرت چیه؟" اصلا توجه نمیکرد، وقتی بهش میگفتن "یه نفر آزمایشی انجام داده که به نظر می یاد با نسبیت خاص توافق نداره. نظرت چیه؟" و او جواب میداد، "از بین میره." (خنده حاضرین)
حالا، مساله اینجاست که چرا چیزهایی مثل این درست از آب در می یآد؟ خب، یک طرف قضیه اینه که منظورمون از گفتن قشنگ چیه؟ من سعی خواهم کرد این رو روشن کنم -- تا حدی روشن. چرا باید کارآمد باشه، و این چیزیه که به نوع بشر مربوطه. جوابم به مورد آخری که پیشنهاد کردم رو خواهم گفت، و اینه که، این قسمت هیچ ربطی به انسانها نداره. جایی در یه سیاره دیگه که در حال گردش دور یک ستاره خیلی دور است، شاید در یک کهکشان دیگه، موجوداتی می تونن باشن که حداقل به اندازه ما باهوش باشن، و البته به علم هم علاقه مند باشن. که غیر ممکن هم نیست؛ و به عقیده من تعدادشون هم زیاده .
به احتمال زیاد، هیچکدوم به اندازه کافی نزدیک نیسستند که بتونن با ما ارتباط برقرار کنن. اما خیلی ساده اینکه می تونن یه جایی باشن . و تصور کنید که اونا دستگاه های حسی و چیزهای از این دست خیلی متفاوت با ما دارند. اونا ۷ تا شاخک، و ۱۴ تا چشم کوچیک با مزه دارن، و یه مغز که شبیه چوب شوره. آیا اونا واقعاً قوانین متفاوتی دارن؟ خیلی از آدما هستد که به این اعتقاد دارن، و من فکر می کنم که مطلقاً چرنده. من فکر میکنم قوانینی اونجا وجود داره، و البته ما حالا حالا ها نمی تونیم این قوانین رو خیلی خب بفهمیم ---ولی سعیمون رو می کنیم. و تلاش می کنیم تا نزدیک و نزدیک تر بشیم.
و سر انجام یه روزی، ما یک تئوری یکپارچه بنیادی رو برای ذره ها و نیروها بنا می نهیم .چیزی که من بهش می گم " قانون بنیادی". حتی شایدم خیلی ازش دور نباشیم. اما حتی اگر هم نتونیم در طول زندگیمون بهش برسیم، هنوز هم می تونیم فکر کنیم که یک تئوری بنیادی اون بیرون وجود داره، و ما در حال تلاش برای نزدیک و نزدیک تر شدن به اون هستیم . من فکر می کنم این مهمترین مساله ای است که باید در نظر گرفته بشه . ما این جور چیزها رو با زبان ریاضی بیان می کنیم. و وقتی که ریاضی خیلی ساده باشه -- وقتی شما بر حسب بعضی از نماد گذاریهای ریاضی بتونید یک تئوری رو تو یک فضای کوچیک بنویسید ، بدون پیچیدگی زیاد -- منظور ما از زیبایی و ظرافت اساسا اونه.
این چیزیه که من داشتم راجع به قانونها می گفتم . مشخصاً نیوتن خیلی بهش اعتقاد داشت. و همیشه می گفت: "این کار فلسفه طبیعیه که این قوانین رو پیدا کنه." اجازه بدید که بگم قانون اصلی در اینجا یک فرض است . فرض بر اینه که قانون بنیادی شکلی از یک نظریه یکپارچه از همه ذره ها است. در حال حاضر، بعضی ها اونرو نظریه همه چیز می نامند. که اشتباه است، زیرا نظریه ای است از مکانیک کوانتمی. البته من زیاد وارد جزئیات مکانیک کوانتمی و اینکه چی هست و اینا نمی شم. به هر حال شما چیزهای نادرست زیادی راجع به اون شنیدید . (خنده) حتی فیلمهای چرندی هم راجع به اون وجود داره .
اما مساله اصلی اینه که مکانیک کوانتمی احتمالها رو پیش بینی می کنه . خب ، بعضی مواقع این پیش بینی ها نزدیک واقعیتها هستند. و در بسیاری از موارد آشنا، آنها خود واقعیت هستند . اما بعضی وقتها هم اینجوری نیست، و شما فقط می تونید پیش بینی هایی از پیامدهای مختلف را داشته باشید. خب، معنیش اینه که تاریخ جهان فقط بوسیله اون قانون بنیادی مشخص نمی شه. این یک قانون بنیادیه به همراه یک سری از وقایع تصادفی شگفت انگیزه، به علاوه پیامدهای احتمالاتی.
در واقع این نظریه بنیادی شامل این پیامدهای احتمالاتی نمی شه. اونا بهش اضافه می شوند. بنابراین این یک تئوری برای همه چیز نیست. و درحقیقت مقدار زیادی از اطلاعات جهان اطراف ما از همین وقایع تصادفی سرچشمه می گیرن. و نه فقط از این قوانین بنیادی . اغلب گفته میشه که در نزدیک و نزدیک تر شدن به قوانین بنیادی با بررسی پدیده ها در انرژی های پایین، وسپس انرژی های بالا و انرژی های بالاتر، یا فواصل کوتاه وفواصل کوتاه تر، بررسی پدیده ها در انرژی های پایین، وسپس انرژی های بالا و انرژی های بالاتر، یا فواصل کوتاه وفواصل کوتاه تر، و هنوز هم فواصل کوتاه تر، چیزیه شبیه به پوست کندن یک پیاز . و ما هم پوست کندن رو ادامه می دیم، و شتابدهنده های قوی تری برای ذرات می سازیم . ما عمیق و عمیق تر به ساختار ذره ها نگاه می کنیم، و به این طریق احتمالاً بتونیم به این قانون بنیادی نزدیک و نزدیک تر بشیم .
خب ، وقتی ما این کارا رو می کنیم، وقتی پوست پیاز رو می کنیم، و به فهمیدن این قانون زیر بنایی نزدیک و نزدیک تر می شیم، می بینیم که هر پوسته جدید چیزهایی شبیه به پوسته قبلی ، و پوسته بعدی داره. ما اینها رو به کمک قوانین ریاضی رو کاغذ می آریم، و می بینیم که همگی از ریاضیات مشابهی استفاده می کنن. اونها احتیاج به ریاضیات مشابهی دارن. این واقعاً چشمگیره و در حقیقت ویژگیه اصلیه اون چیزیه که من امروز سعی دارم بگم. "همون یکی" اسمیه که نیوتن روش گذاشت. هر چی باشه نیوتن دیگه.
این یکی آلبرت انشتین . سلام، چطوری آل! به هر حال، او گفت ، "طبیعت مطیع خودشه" -- به طبیعت هویت یک موجود مونث رو داد. بنابراین چیزی که اتفاق می افته اینه که پدیده های جدید، پوسته های جدید، پوسته های داخلی از پوسته های نسبتاً کوچکتر پیاز که ما بهشون می رسیم، شبیه پوسته های نسبتاً بزرگتر هستند. و ریاضیاتی که ما برای پوسته های قبلی داشتیم تقریباً شبیه اونایی که برای پوسته های بعدی لازم داریم. و به این دلیله که معادلاتشون به این سادگی به نظر می رسه. چرا که آنها ریاضیاتی رو که ما قبلاً داشتیم استفاده می کنن.
یک مثال ابتدایی اینه: نیوتن قانون گرانش رو ارائه کرد، که چیزیه شبیه به، یک بر روی مجذور فاصله اجسام تحت گرانش کولن، در فرانسه، قانونی مشابه برای بارهای الکتریکی ارایه داد. اینجا مثالی از تشابه داریم . شما به گرانش نگاه می کنی ، یک قانون معین رو می بینی. سپس به الکتریسیته نگاه می کنی. با اطمینان کافی یه قانون مشابه می بینی این یک مثال خیلی ساده است. مثالهای پیچیده زیاد تری هم وجود داره. تقارن در این بحث مساله مهمیه. می دونید معنیش چیه. برای نمونه ، یک دایره، تحت چرخش حول مرکز ش متقارنه. اگه شما دور دایره بچرخید، دایره بدون تغییر می مونه. یک کره رو در نظر بگیرید. در سه بعد، دور کره بچر خید، در هر حالت چیزی که می بینید یک کره است. آنها تقارنهای کره هستند. بنابراین ما می گیم، در کل، یک تقارن تحت عملگرهای معینی وجود داره اگر عملگرها اون پدیده یا توصیفش رو تغییر ندهند.
به طور مسلم قوانین الکترومغناطیسی تحت چرخش کل فضا متقارن هستند به طور مسلم قوانین الکترومغناطیسی تحت چرخش کل فضا متقارن هستند فرقی نمی کنه در چه جهتی در فضا بگردیم این امر پدیده های الکتریسیتی یا مغناطیسی رو تغییر نمی ده. یک روش نشانه گذاری در قرن ۱۹ بود که این مفهوم رو بیان می کرد. اگر ما از اون روش استفاده کنیم ، معادله ها خیلی ساده تر خواهند شد. در ادامه انیشتین، بانظریه خاص خودش از نسبیت، کل مجموعه تقارنها در معادلات الکترومغناطیس( مًکس ول) را در نظر گرفت، چیزی که نسبیت خاص خوانده می شه . و اون تقارنها ، در ادامه، معادلات رو حتی کوچکتر و زیبا تر کردند .
بزار ببینیم . شما لازم نیست بدونید اینها چه معنی میده ، چون مشکلی پیش نمی آد. شما فقط باید یه نگاهی به شکل کلی شون بندازید. (خنده) . شکل کلی روکه می تونید ببیند. بالا رو نگاه کنید، اون اولی ، یک لیست طولانی از معادلات با سه مولفه برای سه جهت در فضا : x , y ,z سپس، به کمک تحلیل برداری و با استفاده از تقارن چرخشی می تونید مجموعه بعدی رو بدست بیارید. سپس به کمک تقارن در نسبیت خاص می تونید حتی مجموعه ساده تری بدست بیارید. همین جور که پایین تر میریم، می بینید که تقارن بهتر و بهتر به چشم می آد. هر چه تقارن بیشتری داشته باشید، سادگی و ظرافت بیشتری رو در نظریه به نمایش می گذارید
اما دو تای آخر، اولی می گه که بارهای الکتریکی و جریانها به همه میدانهای مغناطیسی و الکتریکی موجودیت میدن. بعدی -- دومین معادله میگه که مغناطیس دیگری غیر از اون وجود نداره. تنها مغناطیس موجود از بارهای الکتریکی و جریانها ناشی می شه. یه روزی ما یه ایراد کوچیک برای این استدلال پیدا می کنیم. اما تا اون روز، این درسته.
خب، در اینجا یه پیشرفت هیجان انگیز داریم که خیلی از مردم تا حالا راجع بهش نشنیدن. در حقیقت بایستی اونو شنیده باشن، اما چون توضیحش با جزئیات فنی یه کم مشکله، منم این کارو نمی کنم . فقط یه اشاره ای بهش می کنم.(خنده) اما "چن نینگ یانگ" که ما صداش می زنیم "یانگ بی شیله پیله" (خنده) ---و "باب میلز" ۵۰ سال پیش این تعمیم از معادله های الکترومغناطیس (مًکس ول) رو با یک تقارن جدید مطرح کردند. یه تقارن کاملاً جدید. با ریاضیات خیلی مشابه، اما یه تقارن کاملاً جدید وجود داشت. آنها امیدوار بودند که به نحوی این نظریه در فیزیک ذرات مفید باشه -- اما اینطور نبود. به خودی خود در فیزیک ذرات مفید نبود.
ولی در ادامه بعضی از ما اینرو بیشتر تعمیم دادیم و درست از کار در اومد. و یک توصیف زیبا از نیروی قوی و نیروی ضعیف ارایه داد. خب همینطور که قبلاً گفتم اینجا هم می گم: هر پوسته از پیاز یه مشابهتی با پوسته مجاورش داره. و ریاضیاتی که ما برای پوسته های مجاور نیاز داریم خیلی شبیه اونیه که برای اولی داشتیم. و اینجاست که زیبا به نظر می رسه زیرا از قبل می دونیم چه جوری اونرو با یه روش دوست داشتنی و دقیق بنویسیم.
خب در اینجا درون مایه مشخصه. ما به یک تئوری یکپارچه در ورای همه قواعد موجود باور داریم گامهایمان به سمت وحدت سادگی رو نشون می ده. تقارن سادگی رو نشون میده . و در ادامه یک خود تشابهی در مقیاسها وجود داره -- به عبارت دیگه، از یه پوسته به پوسته دیگه پیاز. نزدیک ترین خود تشابهی . که توجیه کننده این پدیده است. که توضیح خواهد داد چرا زیبایی یک معیار موفق در انتخاب یک تئوری دقیقه.
نیوتن خودش می گفت: "طبیعت بسیار همخوان و هماهنگ با خودش است." چیزی که اون مدت زمانی بهش فکر میکرد امروز برای ما یک امر مسلمه، اما در زمان اون یه امر مسلم نبود . داستان اینجاست، البته دقیقاً معلوم نیست که درست باشه، اما خیلی از مردم اینو گفتن. در چهار منبع راجع بهش گفته شده. که وقتی در کمبریج طاعون اومده بود، و نیوتن به خونه مادرش رفته بود -- چرا که دانشگاه تعطیل بود-- او دید که یه سیب از درخت پایین می افته، رو کلش یا یه جای دیگه. و ناگهان دریافت که نیرویی که سیب رو به سمت زمین می کشه می تونه مشابه همون نیرویی باشه که حرکت سیارات و ماه رو تنظیم می کنه.
که برای اون روزها یک وحدت بزرگ بود. این همون تئوری گرانش بود. او این اصل در طبیعت رو همخوانی نامید: " این اصل در طبیعت در حال دور شدن از تصورات فلاسفه است، من از شرح دادن اون در کتابم خودداری کردم، مباداکه به عنوان یک دیوونه افراطی تلقی بشم ..." چیزی که باید حواسمون بهش باشه، (خنده) مخصوصاً امروز. " ... و خواننده گان متعصب من با همه چیزهایی که درون مایه اصلی کتابمه به مخالفت بر می خیزند."
حالا، امروزه کی این ادعا رو داره که اینها فقط تراوشات ذهن بشر مغروره؟ که نیرویی که باعث میشه یه سیب از درخت پایین بیفته همون نیرویی هست که سیاره ها و ماه دور هم بچرخند، و به همین ترتیب؟ همه اینرو می دونن. این یک خصوصیت از گرانشه. چیزی نیست که در ذهن بشر باشه. البته ذهن بشر می تونه این رو درک کنه و ازش لذت ببره، ازش استفاده کنه --- اما از ذهن بشر سر چشمه نمی گیره. این از ماهیت گرانش سر چشمه می گیره. و برای همه چیزهایی که داریم راجع بهشون صحبت می کنیم درسته. آنها خصوصیاتی از قانون بنیادی هستند. قانون بنیادی به گونه ای هست که پوسته های مختلف پیاز به همدیگه شباهت دارن، و بنابراین ریاضی برای یک پوسته به شما اجازه می ده که به صورت زیبا و ساده ای روابط پوسته بعدی رو توضیح بدین.
اینجا بگم که در اون سال کارهای زیادی انجام داد: گرانش، قوانین حرکت، حساب، نور سفیدی که از همه رنگهای رنگین کمان تشکیل شده بود. و حتی می تونست یک انشا در مورد " کارهایی که در تعطیلات تابستان انجام دادم" بنویسه (خنده) بنابراین ما نباید این اصل ها رو به عنوان اصل موضوعهای متا فیزیکی جداگانه در نظر بگیریم. آنها به دنبال قانون بنیادی می آن. ما به اونا می گیم خصوصیتهای در حال پیدایش. شما احتیاج ندارین --- شما به چیز بیشتری احتیاج ندارین که چیز بیشتری بدست بیارین. این میشه معنی پیدایش.
زندگی می تونه از فیزیک و شیمی بوجود بیاد، بعلاوه خیلی از تصادفات دیگه. مغز آدمی می تونه از نروبیولوژی به همراه یک سری از تصادفات بوجود بیاد، به همون طریقی که یک واکنش زنجیری شیمیایی از فیزیک و یه سری تصادفات مشخص بوجود می یاد. البته اهمیت این موضوع ها با دونستن اینکه آنها از مسایل بنیادی ناشی می شوند، کم نمیشه. اون یک قانون کلیه و خیلی مهمه که اونرو درک کنیم. شما به چیز بیشتری احتیاج ندارین تا چیز بیشتری بدست بیارین. وقتی مردم کتابم رو می خونن مرتباً می پرسن، "کوارک و جکوار"( نام یکی ازکتابهای او) و میگن: "چیز بیشتری در ورای اونچه که تو کتابته وجود نداره؟" احتمالاً منظورشون یه چیز ماورای طبیعی هست. به هر حال ، نه وجود نداره. (خنده) شما به چیز بیشتری احتیاج ندارین که چیز بیشتری رو توضیح بدین. با تشکر فراوان .(تشویق)