ماهیت قوانین فیزیک

تا به حال از خودتان پرسیده‌اید که:

آیا قوانین فیزیک حقیقت دارند؟

به عبارت بهتر آیا آن‌چه ما به عنوان قوانین فیزیک می‌شناسیم بیان مطلقی از قوانین طبیعت است؟

شاید پیش از آن که ما فراگرفتن علم فیزیک را آغاز کنیم بهتر است مفاهیمی از این دست را از خودمان بپرسیم. اگر کلمه‌ی فیزیک یا قوانین فیزیک را در گوکل جست‌وجو کنیم منابع بسیار زیادی برای توضیح این واژه در دسترس ما قرار می‌گیرد که بیش‌تر آن‌ها درست است. اما برای کسی که فیزیک‌پیشگی را انتخاب می‌کند مهم است بداند این مفاهیم تا چه اندازه حقیقت دارند و تا چه اندازه می‌توانیم به دانسته‌های فیزیک تعصب نشان دهیم.

اندیشه‌های نو در علم و به ویژه علم فیزیک، که بسیار از انیشتین تأثیر پذیرفته است بر این باورند که بهترین قوانین فیزیک نیز بیان حقیقت مطلق نیست، و آن را بیانی تقریبی از حقیقت می‌شمارند. بر اساس چنین اندیشه‌هایی و بر خلاف نظر بیکن و ماخ، این قوانین خلاصه‌ای از واقعیات تجربی انگاشته نمی‌شودکه هر جوینده‌ی سخت‌کوش و به دور از پیش‌داوری بتواند به آن‌ها دست یابد.

بشر در طول سالیان دراز به مشاهده‌ی طبیعت پرداخته است و واقعیاتی که مشاهده کرده است را تنظیم کرده و به جهان علم ارائه داده است. نوآوری و ابتکار بشر، در تنظیم این واقعیات ناگزیر وارد شده است. در چارچوب علم، این واقعیات به شکل نظریه‌ها به جهان ارائه شده است؛ نظریه‌هایی که به توصیف دنیای پیرامون ما پرداخته‌اند و هدف آن‌ها اغلب توصیف پدیده‌ها و تفسیر رفتار طبیعت است.  اما همان‌طور که انیشتین در سال 1952 نوشته است: «هیچ راه منطقی‌ای برای بنا نهادن یک نظریه وجود ندارد…». برای مثال مشاهده‌ی حرکت سیارات و مدارهای آن‌ها به خودی خود وجود نیروی گرانش را ایجاب نمی‌کند. بر اساس نظریه‌ی نیوتن شکل حرکت سیارات و گردش آن‌ها به گرد خورشید، درنتیجه‌ نیروی گرانش خورشید است که متناسب با وارون مجذور فاصله بین دو جرم است. می‌توانیم بگوییم نیوتن این نیرو را ابداع کرده است. چنین نیرویی در نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین وجود ندارد؛ بر اساس این نظریه سیارات به همان اندازه که خمیدگی فضا-زمان ایجاب می‌کند مستقیم حرکت می‌کنند. خمیدگی فضا-زمانی که سیارات در آن قرار گرفته‌اند ناشی از وجود خورشید (سنگین‌ترین جرم منظومه‌ی خورشیدی) است. در نظر داشته باشیم که به صورت ایده‌آل در این مثال حرکت سیارات تنها با اثری که از خورشید می‌گیرند توجیه شده است و اثرات خارج از منظومه‌ی خورشیدی و اثرات ناشی از سیارات روی هم در نظر گرفته نشده است.

در حقیقت، نظریه‌ی فیزیکی آمیزه‌ای ذهنی از مفاهیم، تعاریف و قوانینی است که یک مدل ریاضی برای بخشی از طبیعت وضع می‌کند. بنابراین بیش از آن که بگوید «طبیعت چیست؟»، از چگونگی آن می‌گوید. برای مفید بودن یک نظریه، آشکارترین لازمه‌ی آن سازگاری با تجربه (تجربه‌پذیری) است. اما سازگاری با تجربه هر قدر هم که باشد نمی‌تواند یک نظریه را ثابت کند، تا حدی به این دلیل که هیچ آزمایشی نمی‌تواند بی‌نهایت دقیق باشد و تا حدی به این دلیل که نمی‌توان همه‌ی موارد مربوط را آزمود. از سوی دیگر ناسازگاری با تجربه، به طور ضروری منجر به نفی نظریه‌ی فیزیکی نمی‌شود، به جز در صورتی که بتوان نظریه‌ای در همان حد ساده یافت که جایگزین آن شود. چنین ناسازگاری‌ای تنها ممکن است منجر به محدود شدن «حوزه‌ی اعتبار کافی» شناخته شده برای آن مدل شود.

برای مثال، با توجه به آن چه امروز می‌دانیم، اگر قوانین نیوتن برای مکانیک ذرات را به یاد آوریم می‌بینیم، هرچند این قوانین برای سال‌های متمادی خوب کار کرده‌اند و حتی امروز در حرکت با سرعت‌های کم درست و کارآمد هستند، اما برای توصیف حرکت ذراتِ بسیار سریع صادق نیستند. یا با توجه به علم امروز نظریه‌ی گرانش نیوتنی برای توصیف جزئیات ظریف مدارهای سیارات کافی نیست. با همه‌ی این‌ها به این دلیل که قوانین «درست‌تر» نسبیتی از نظر ریاضیات پیچیده هستند، در حوزه‌هایی که دقت شناخته‌شده‌ی قوانین نیوتن به قدر کافی باشد مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با این که تا امروز نسبیت خاص و عام از نظریات مسلم فیزیک هستند که درستی آن‌ها از طریق آزمایش‌های زیادی تحقیق شده است، و کشف اخیر امواج گرانشی نیز اعتباری دو چندان به نظریه‌ی نسبیت عام داده است، بهتر است در مورد آن هم تعصب نداشته باشیم. شاید روزی ثابت شود که نظریه‌ی نسبیت هم در حدود دقتی که تا امروز بشر به آن دست نیافته یا به فکر کسی نرسیده است، کفایت ندارد.

چیزی که باید در نظر داشته باشیم این است که هر نظریه‌ی علمی تنها یک مدل است و جز این که  باید سازگاری کافی با تجربه، انسجام درونی، و سازگاری با مفاهیم علمی روز داشته باشد، دو مشخصه‌ی دیگر برای یک نظریه‌ی خوب وجود دارد. یکی زیبایی یا سادگی از نظر ریاضیات یا مفهوم است. اما این چیزی است که باید در ذهن بشر متولد شود؛ زیبایی ریاضیات یک نظریه اغلب به فرمول‌بندی خاص آن نظریه بستگی دارد (به بردارها، تانسورها، جبر کلیفورد، گروه‌ها، و … ). یک لازمه‌ی حیاتی دیگر برای یک نظریه‌ی خوب، که پوپر بر آن اصرار دارد ابطال‌پذیری (falsifiability) یا امکان ابطال تجربی است. نظریه‌های علمی نباید متعصب باشد. یک نظریه‌ی متعصب دچار انجماد می‌شود. هرچه نظریه‌ای بهتر باشد، شمار پیشگویی‌هایی که ابطال آن را ممکن می‌کند بیش‌تر است. از سوی دیگر یک نظریه‌ی علمی نباید به گونه‌ای باشد که برای هر نتیجه‌ی متناقضی که دارد همواره نیاز به اصلاح و تغییرات موضعی داشته باشد.

با این تفاسیر، نظریه‌ها موتورهای فیزیک هستند. تلاش برای ابطال‌های تجربی نظریه است که فیزیکِ آن را رو به جلو سوق می‌دهد. آن‌چه برای یک دانشمند و فیزیک‌دان امروزی ضروری است، انعطاف در برابر ایده‌ها و نظریه‌های نو و پذیرش برخی اشکالات وارد بر نظریه‌هایی است که سال‌ها به آن‌ها باور داشته است و حتی در آزمایشات بسیاری درستی آن‌ها ثابت شده است.

راه پیشرفت دانش بشری از نگاه کردن از پنجره‌هایی نو به دنیای پیرامون ما می‌گذرد. آن‌چه بر ما مسلم است این است که هنوز بیش از نود درصد چیزی که دنیای ما را می‌سازد برای ما ناشناخته است، و بنابراین شاید نادرست نیست که بگوییم بهترین نظریه برای توصیف دنیای ما هنوز ارائه نشده است.