آیا علم فیزیک جنبهٔ انسانی دارد؟

ویکتور فـ. ویسکوف، استاد فیزیک دپارتمان فیزیک انستیتوتکنولوژی ماساچوست امریکاست. این مقاله، خلاصهای از سخنرانی ویسکوف است که به هنگام اخذ مدال اورستد، که از طرف انجمن معلمان فیزیک امریکا به وی اعطا شد، در سال ۱۹۷۶ ایراد شد. بله، فیزیک جنبهٔ انسانی دارد، هرچند که در نظر برخی از مردم، خشک و بیروح، ریاضیوار، انتزاعی و دور از ذهن است. برای غلبه بر این احساس منفی، معلم فیزیک وظیفه دارد که بر جنبهٔ انسانی این علم تاکید ورزد.
بسیاری از مردم مدعی هستند که فیزیک «انسانی» نیست؛ در نظر آنها، روشهای تحقیق فیزیکی و نتایج حاصل از آنها از ارزشهایی چون احساسات و عواطف را، که با کلمه «انسانی» همبستهاند، لمس نمیکنند. ادعا میشود که فیزیک با روابط انسانی، یا تجربیاتی که در دنیای احساسات و عواطف مهماند، با افراد خانواده و اجتماع انسانی یا با هر نوع تماس انسان با انسانی دیگر، ارتباطی ندارد.
در این، به اصطلاح «غیرانسان بودن» فیزیک جنبهای وجود دارد که مایلم آن را از این بحث جدا کنم: در این مقاله نه دربارهٔ چیزهای غیر انسانی که کاربرد فیزیک در تکنولوژی موجب شده است صحبت میکنم، و نه دربارهٔ استفاده از اکتشافات فیزیکی برای طراحی تسلیحات مخرب یا اثرات زیانآوری که تکنولوژی مبتنی بر علوم جدید، بر طبیعت و محیط اجتماعی که در آن زندگی میکنیم داشتهاند.
اتهامات برعلیه فیزیک
چرا بسیاری از مردم، از جمله برخی از دانشجویان فیزیک، فیزیک را «غیرانسانی» به حساب میآورند؟ دلایل را به چهار گروه تقسیم میکنم، که میتوان آنها را به صورت دعاوی زیر توصیف کرد:
۱- فیزیک از تجربهٔ مستقیم انسانی بسیار دور شده است.
۲- فیزیک علمی کمّی و مبنی بر ریاضیات است.
۳- مفاهیم اساسی فیزیک خیلی انتزاعی هستند.
۴- بیشتر فیزیک جدید با مادهٔ موجود در تحت شرایط بسیار «دور» از محیط انسان، سروکار دارد. از نکتهٔ اول شروع میکنم که بیانگر این احساس است که در فیزیک رهیافت به پدیدهها مطابق با تجربهٔ مستقیم ما نیست. آنچه را که یک فیزیکدان در پدیدهای طبیعی، اصلی وذاتی میداند، کاملاً با آنچه که یک فرد عادی ممکن است اصلی به حساب آورد، تفاوت دارد. فیزیکدان سعی میکند برخی فرایندها را از جریان رویدادها منزوی سازد، زیرا متقاعد شده است که این فرایندها حاوی آن اطلاعات اساسی هستند که او در پی آنهاست. این فرایندها برای یک فرد عادی «طبیعی» به نظر نمیرسند. من بارها شاهدحیرت افرادی بودهام که وارد آزمایشگاه فیزیک میشوند، و درآنجا تودههای به هم پیچیدهٔ سیم و ابزارهای الکترونیکی و تجهیزات دیگر را میبینند: «آیا قصد دارید با این شگردها به اساس طبیعت دست یابید؟ چنین به نظر میرسد که شما آن را «شکنجه» میدهید و آنچه را که در جستجوی فهمش هستید ویران میسازید!»
گوته، صدوپنجاه سال قبل، برعلیه نیوتون به بحث پرداخت، و روش نیوتون در تجزیهٔ نور سفی خورشید را به چند رنگ مورد استهزاء قرار داد. او تعجب میکرد که چگونه میتوان با وارد کردن نور از میان شکافی باریک به داخل اتاق تاریک، اطلاعات مناسب دربارهٔ نور درخشان خورشید را، به دست آورد. این احساس وجود دارد که روشهای فیزیک تا اندازهای مانع از شناخته شدن برخی قسمتهای اصلی طبیعت میشوند.
نکتهٔ دوم بر این واقعیت انکار ناشدنی مبتنی است که بخش بزرگی از مردم از ریاضیات، حتی از ساده ترین شکل آن، گریزانند. در اینجا بحث نمیکنم که آیا میتوان این مشکل را با آموزش بهتر ریاضی چاره کر یا اینکه مواجهه با آن به کلی اجتنابناپذیر است. درهرحال، بسیاری از مردم، فرمولبندی ریاضی رویدادهای طبیعی را، طریقهای غیر انسانی از گفتگو دربارهٔ تجربیات انسانی میدانند. بدیهی است که ناسپاسی در مقابل ریاضیات سادهٔ مانعی سخت در راه درک مناسب رویدادهای طبیعی است. من این جنبه را روزی
با تمام نیرو درک کردم که، سعی داشتم به شخص ناوارد به ریاضیات، شادمانی زایدالوصفی را انتقال دهم که از بحث نیوتون حاصل میشود، بحث در اینکه از سقوط آزاد یک ریگ گِرد بر زمین میتوان مستقیماً گردش ماهانهٔ ماه به دور زمین را نتیجه گرفت، تنها براساس این فرض طبیعی که نیرو با مجذور فاصله کاهش مییابد. طرف مقابل من انسان بسیار حساسی بود وعمیقاً به طبیعت و تفکر علاقه داشت، اما من نتوانستم به هدفم برسم، زیرا همان گامهای سادهٔ ریاضی در نظر او مانند توالی تنظیم یافتهٔ بیپایانی از گامهای کوچک منطقی بود که تمامی هیجان موضوع در آن به خاموشی میگرایید.
پلی میان ملتها
برای شناختن ولذت بردن از فیزیک، حتی از ابتداییترین شناخت آن، باید با یک زبان نو، یعنی زبان ریاضی آشنا بود و درآن مهارت داشت. نمیتوانید از شعری که به زبانی ناآشنا سروده شده است لذت ببرید. در این معنی، هر درس مقدماتی فیزیک مانند آموزش یک زبان خارجی است. در اینجا معلمان فیزیک، نسبت به معلمان رشتهٔ ادبیات، در وضعیت بسیار نامساعدی قرار دارند. یک درس سال اول دانشکده در فیزیک را با نظیر آن در ادبیات مقایسه کنید. معلم ادبیات قادر است به طور مستقیم با دانشجویان، به تساوی، دربارهٔ عواطف و اندیشههای مهم از خواندن یک اثرخاص هنری، صحبت کند. اما معلم فیزیک نمیتواند چنین کند؛ او ابتدا باید زبان (فیزیک) را یاد دهد. در فیزیک این امری یک طرفه است: معلم یاد میدهد و دانشجو یاد میگیرد؛ و حال آنکه در ادبیات، دانشجو و معلم هردو؛ گرچه ازنظر مهارت، در یک سطح نگرش (برخورد) به موضوع قرار دارند. همیشه دروس مقدماتی زبان فاقد هیجان است، تا زمانی که دانشجو بر زبان نو تا حدودی مسلط میشود و صحبت با آن را آغاز میکند.
ولی، این واقعیت که فیزیک نیازمند یک زبان جدید است، وجه مثبتی را داراست. این زبان جدید بینالمللی است و مستقل از زمینههای فرهنگی، اجتماعی و سیاسی. همین که آموخته شد، نه تنها در راه ادراک طبیعت، بلکه مانند پلی میان ملتها و گامی به سوی وحدت بیشتر نوع انسانی، خدمت میکند.
اکنون به نکتهٔ سوم میرسیم. مفاهیمی که برای کسب شناخت حقیقی طرز کار طبیعت از همه بنیادتر هستند، بیشتر مجردند و از ادراک شهودی مستقیم ما بسیار دورند. مثالهای زیادی در این مورد وجود دارد، مانند مفاهیم انتروپی، میدان الکترومغناطیسی، نسبیت و نیز تمامی چارچوب مفهومی مکانیک کوانتومی، که درک فیزیک جدید ما از خواص ماده، مبنی بر آن است. در اینجا دشواریهای رودر رو ضرورتاً ریاضی نیستند، بلکه مفهومی هستند. باز به تمرین و ممارست زیادی نیاز است تا بتوان اهمیت این مفاهیم را درک کرد.
چهارمین نکته مربوط به فیزیک دورهٔ اخیر است. بسیاری از فرایندها که امروزه در مرکز توجه واقعاند، ظاهراً بسیار دور از محیط زندگی عادی انسان هستند. اشارهام به پدیدههای هستهای یا زیر هستهای، اختر فیزیک، فیزیک دمای پایین، فیزیک پلاسما و … است. علاقهٔ پژوهشگران امروزی بر مادهٔ تحت شرایطِ بسیار نامعمول متمرکز است، که در طبیعت، تنها در مکانهای بسیار دور کیهان تحقق مییابند. در فیزیک هستهای پدیدههایی، با تبادل انرژی میان اتمی معادل با میلیونها ا لکترون ولت، را مطالعه میکنیم؛ این پدیدههادر طبیعت تنها در مرکز ستارگان یا در انفجار ستارگان، روی میدهند. در فیزیک ذرهای انرژیهای تبادل یابنده، حداقل هزار بار بزرگتراند؛ و جدای از برخی رویدادهای نادر پرتو کیهانی، چنان تبادلهایی از انرژی، تنها در ستارگان نوترونی یا در اثنای اولین لحظات انفجار بزرگ روی میدهد. فیزیک پلاسما با پدیدههای واقع در فشارها و دماهای غیر عادی سرو کار دارد، و فیزیک دمای پایین نیز چنین است. بدیهی است که اختر فیزیک، پدیدههای بسیار دور از ما را بررسی میکند. چرا میباید به رفتار ماده در تحت چنان شرایط “غیرانسانی”
علاقه مند باشیم؟ البته، دلبستگی تکنولوژیکی شدیدی بهبرخی نمونههای ذکر شده وجود دارد – اما در همان آغاز مقاله چنین نظرهایی را از بررسیهای مان جدا ساختیم.
این چهار نکته ممکن است به عنوان مثال برای توضیح اینکه چرا فیزیک در نظر بسیاری از مردم “غیرانسانی” میآید، کافی باشد. پاسخ من به پرسش مطرح شده در عنوان این مقاله، به طور ساده این است: ” بله، فیزیک در واقع انسانی است، و میتواند و میباید درآموزش و نوشتار ما چنین نمایانده شود. این اولین و بزرگترین وظیفهٔ هر معلم فیزیک است.”
اکنون دوباره به این چهار نکته میپردازیم، اما با برخی ملاحظات دراینکه چگونه ممکن است بر گوشهٔ انسانی این علم تاکید ورزیم.
بیان حقایق برای دفاع
بازگشت به نکتهٔ ۱ از همان آغاز پیدایش فرهنگ، انسان دربارهٔ جهانی که در آن زندگی میکرد کنجکاو بوده است. نظریههای اولیه در چارچوب اساطیری تکامل یافتند. تفسیر جهان در جهت کلیت طبیعت بود، تلاش میشد که همه چیز از آغاز تا انتها توضیح داده شود. ولی، پانصد سال پیش کنجکاوی انسان چرخش متمایزی کرد: به جای رسیدن به همهٔ حقیقت، مردم بررسی پدیدههای منزوی را آغازیدند و از طرح پرسشهای کلی، به نفع پرسشهای محدود شده، اجتناب شد.
این محدودیت مفید واقع شد. این چشمپوشی از تماس بلاواسطه با حقیقت مطلق، گذار فرعی (انحرافی) بیپایان از میان تنوعی از تجربهها، روشهای علوم را مجاز ساخت تا نافذتر و بینشهای آنها بنیادیتر شود. مطالعهٔ اجسام در حال حرکت منجر به مکانیک سماوی و تعمیم قانون گرانش گردید. بررسی اصطکاک و گازها به صورت یک نظریهٔ فراگیر گرما تکامل یافت. مطالعه انقباض ماهیچههای قورباغه به معادلات ماکسول و شناسایی طبیعت الکتریکی ماده انجامید. با پیجویی جزء بهجزء طبیعت، چارچوبی برای درک بسیار عمیقتر جهان طبیعی، بیش از هر زمان دیگر، ایجاد شد. بحث پیشین ما دربارهٔ نکتهٔ اول، به این گذرهای فرعی ظاهراً بیپایان در مورد پیجویی جزء به جزء، طبیعت اشاره دارد، و این تنها برای فردی بیگانه (با موضوع)، بسیار دور از تجربهٔ مستقیم با پدیدههای تحت تطبیق به نظر میرسد.
بنابراین، یک راه غلبه بر این مشکل، انتخاب برخورد تاریخی در آموزش فیزیک است. این ممکن است کمک کند تا ضرورت و اهمیت مطالعهٔ پدیدهها، به خصوص موفقیت در ابقای شرایط سترون جداسازی دقیق از دیگرتاثیرات را، روشن سازد. این نشان خواهد داد که چنان برخورد به ظاهر “غیرطبیعی” با طبیعت در حقیقت صفات مشخصه و اساسی طبیعت را آشکار ساخته و رابطهای عمیقتر میان انسان و محیط طبیعیاش برقرارکرده است. معجزهٔ بزرگ علم در همینکار مهم وموفقیت آمیز بوده است. همان طور که آلبرت اینشتین میگوید:”غیرقابل درکترین واقعیت طبیعت”، این واقعیت است که، طبیعت قابل درک است”.
راه دیگر روبه رو شدن با این مسئله درگیری قبلی دانشجو با تحقیق تجربی است. دانشجو دختر یا پسر، خواهد دید که همهٔ این سیمها، تقویت کنندهها و اسبابها، برای رخنه در فرایندهای اصلی طبیعت چقدر مهم هستند؛ و اگر دانشجو در انتخاب رشتهٔ تحقیق، اشتباه نکرده باشد، شاهد وجد و سروری عمیقاً انسانی خواهد بودکه بیشتر فیزیکدانها در تلاش برای دستیابی به این فرایندها دارند. دانشجو در شادمانی بسیار زیاد ناشی از فهم چیزی نو سهیم میشود، حتی اگر اینچیز نو تنها جزء بسیار کوچکی از یک بصیرت اساسی باشد. دربارهٔ اصلاح وضعیت توصیف شده در نکتهٔ دوم، سخن زیادی ندارم. در واقع بدون کمک ریاضی، انتقال بیشتر بینشهای فیزیکی ناممکن است. باوجود این، برخی اندیشهها را میتوان باحداقلی از تفکر کمّی انتقال داد. هنگام تدریس یک درس فیزیک مقدماتی، معلم میباید، هرگاه که ممکن باشد، ازتفکر کیفی استفاده کند. او میباید آگاه باشد از اینکه یک زبان را تدریس میکند ودر اولین فرصت ممکن، از آن برای مکاشفه در ارتباطات اساسی و غیر منتظره در طبیعت بهره گیرد. دانشجو میباید ببیند و احساس کند که روابط کمّی، در حقیتق جنبههای اصلی طبیعت را آشکار میسازند.
الگوسازی در ساختار
دربارهٔ نکتهٔ سوم، یعنی اینکه برخی از مفاهیم بنیادی ماهیت انتزاعی دارند، مطلب بیشتری برای گفتن دارم، اما خود را به بعضی از جنبههای مکانیک کوانتومی محدود میسازم. بر این واقعیت تاکید میکنم که مکانیک کوانتومی عناصر صورت، شکل و تقارن را در فیزیک وارد کرده است. طبیعت، از بلورها گرفته تا گلها، پرا ست از وقوع مکرر در مکررشکلها و تقارنهای ویژه. باید دلیلی بنیادی برای خواص نمونه مواد و صوری که در جریان رویدادهای طبیعی مشاهده میکنیم، وجود داشته باشد. این دلیل در مکانیک کوانتومی یافت میشود: طبیعت موجی الکترونها آنها را به صورت الگوهای نمونه در میآورد، یعنی به صورت شکلهای امواج ایستا درمیدان کولنی با تقارن کروی. این شکلها الگوهای بنیادی طبیعت هستند، و ماخذ تمامی شکلهای که مشاهده میکنیم.
این صُورَ نه تنها نمایشگر اَشکال نمونهٔ اتمها بلکه همچنین نشان دهندهٔ پایداری آنها در برابر تغییرات، و قابلیت به احیای (حالت) آنها پس از اختلال ناشی از تاثیرات محیط است. طبیعت، این الگوها را، معماوار، در ساختارهای مولکولی ترکیب میکند و انواع مکرردر مکرری از اجسام راکه در محیط خود مییابیم، به نمایش میگذارد؛ یعنی از مواد کانی گرفته تا ماکرو مولکولها که اساس حیات هستند.
اهمیت مکانیک کوانتومی هنگامی روشنتر میشود که درمییابیم که این تنها دوگانگی موج ذرهای است که میتواند آن الگوهای پایدار و احیا شونده را برای ما ترسیم کند، الگوهایی که اساس طبیعت را تشکیل میدهد. فیزیک کلاسیک با اتمهای منظومهای شکلش قادربه بازآفرینی واضحترین جوانب کوچک طبیعت نیست.
فیزیک دوردستها
اکنون به نکتهٔ چهارم میرسیم، که بر جدایی ظاهری بین برخی از مباحث فیزیک جدید و دلبستگی انسان، تاکید میورزد، مباحثی مانند فیزیک ذرات یا اختر فیزیک. در مورد اختر فیزیک نیاز به هیچ دفاع نیرومند بر علیه این اتهام نیست. مطالعات دربارهٔ جهان و اجرام شگفت آن، همواره به طریقی اذهان اشخاص ناآشنا با نظامهای اخترشناختی را به خود جلب کرده است. امروزه، اهداف مورد توجه این عرصهها هنوز هم ناآشناتر مینمایند- منظورم ستارگان نوترونی، کوازازها و سیاهچالهها و تاریخ جهان است که موضوع تحقیق علمی شدهاند. پرسشهای مربوط به آغاز وانجام همهٔ چیزها درحیطهٔ دسترس علم قرار میگیرد، وبه نظر میرسد که حتی مشاهداتی از برخی بازماندههای انفجار بزرگ که با آن همه چیز آغاز شد، وجود دارد: تابش زمینهٔ کیهانی، این پرسشها جذبهٔ انسانی نیرومندی را دارا هستند، هرچند به اجرامی مربوطاند که از صحنهٔ حیات انسان به طور فوق العادهای، از نظر زمانی و فضایی، فاصله دارند. شاید علت این است که این پرسشها همانهایی هستند که در آداب و رسوم اساطیری و مذهبی با آنها روبه رو میشویم؛ یعنی میلی مفرط به درک نهایتِ “ازکجا و به کجا”.
در فیزیک هستهای و ذرات، وضعیت فرق میکند. در اینجا نیز با پدیدههایی سروکار داریم که از محیط زمینی ما خیلی دورند. کوششهای عظیمی صرف ساختن شتابدهندههایی میگردد که برای تولید فرایندهای تحت مطالعه به کار میروند. فقدان ظاهری جنبهٔ انسانی این مطالعات از این پرسش ناشی میشود که چرا بایدبه فرایندهایی دلبستگی داشت که از قوه به فعل آمدنشان نیازمند چنان تلاشهای «غیرانسانی» است. بار دیگر از پرداختن به مسائل و نویدهای مهمی که تکنولوژی هسته-ای مطرح کرده است صرف نظر میکنیم.
فکر میکنم پاسخهای مستقیمی وجود دارد، که اهمیت و مناسبت بنیادی مطالعهٔ فرایندهای هستهای و زیر هستهای را نشان میدهد.
معماری مولکولی
نکتهٔ دیگری با اهمیت بسیار وجود دارد: امروز ما زمینهای برای درک فرایندهای شیمیایی داریم. این زمینه مکانیک کوانتومی برهم کنشهای الکتریکی میان هسته اتمها و الکترونهاست. ما این اصل (هرچند نه جزئیات آن) را درک میکنیم که چرا الکترونها و هستهٔ اتمها مولکولهایی از همه نوع تشکیل میدهند، از جمله مولکولهایی از همه نوع تشکیل میدهند، از جمله مولکولهای بزرگ، که پایهٔ حیات هستند. یک ویژگی اصلی وجود دارد که برای ساختار مولکولها اساسی است: اختلاف جرم بزرگ میان هستهها و الکترونها. هستهها از یک تا ده هزار باز سنگینتر از الکترونها هستند. این نسبت مسئول «معماری» مولکولاست، و هم مسئول خواصی ساختاری، مانند صورت مارپیچی DNA. این نسبت امکان آن را ایجاد میکند که هستهها دارای مکانهای کاملاً معینی در مولکول باشند، در حالی که الکترونها با جرم پایین خود به مثابه یک ماده چسبندهٔ توزیع یافته در اطراف ساختار عمل میکنند. بدون وجود این نسبت جرمی بزرگ هیچگونه معماری مولکولی وجود ندارد. چرا هستهها تا این اندازه سنگین هستند؟ آنها از پروتونها و نوترونها تشکیل میشوند که هریک حدود ۲۰۰۰ بار سنگینتر از الکترون هستند، اما دلیل این امر اصلاً برما معلوم نیست. میدانیم که این تفاوت جرمی ناشی از این واقعیت است که نوکلئون (هستک) ها، یعنی پروتونها و نوتوونها، منبع نیروی هستهای هستند، اما باز سرچشمهٔ این نیرو را نمیشناسیم، تنها راه رسیدن به توضیح این تفاوت جرمی مطالعهٔ ساختار درونی و دینامیک نوکلئونهاست، واین هدف موردنظر فیزیک ذرهای است.
پرسش دیگری که به ساختار ماده مربوط میشود، طبیعت بار الکتریکی است. چرا بار الکتریکی به صورت مضربهایی از e، بار الکترون، است؟ دلیل، نامعلوم است. به ویژه نسبت مرموز e2 به حاصل ضرب ثابت پلانک و سرعت نور، hc، از اهمیت بنیادی برای ساختار hc از اهمیت بنیادی برای ساختار ماده برخوردار است. اگر این نسبت از ۱ بود جهان، به این صورت که میشناسیم، وجود نمیداشت! بررسی این مسئله نیز با فیزیک ذرهای جدید است. به واسطهٔ سعی در حل این مسائل بنیادی وجود انسان، فیزکدانها وادار به رخنهٔ هرچه عمیقتر به درونیترین قسمتهای ماده شدهاند. جهانی نو از مزونها، هیپرونها وکوارکها گشوده شد، که نشان میدهد چگونه طبیعت بسیار غنیتر و پر جنبهتر از آن است که در ذهن انسان تاکنون متصور بوده است.
میل مفرط به دریافتن
بر میگردیم به پرسش” آیا فیزیک جنبهٔ انسانی دارد؟” من به این پرسش مطمئناً پاسخ مثبت میدهم. فیزیک انسانی است زیرا چیزی نیست جز صورت بسیار تکامل یافتهٔ میل مفرط به درک اینکه در کجای محیطی که درآن زاده شدیم، قرار داریم. این انگیزهٔ مشترک همۀمردم است. جدای از فرهنگ یا ملیت آنها، و نیز دلیل اینکه چرا فیزیک فعالیتی است که در آن تمامی انسانها میتوانند به طورمساوی شرکت جویند و در واقع چنین تصور میکنند.
این خصیصه فراملیتی جامعهٔ علمی یک عنصر مهم از جهتِ انسانی علم است. دانشمندان، به ویژه فیزکدانها، بارها به ایجاد تفاهم بهتر میان ملتها، حتی درموارد غیر علمی، کمک کردهاند. در این مقاله کوشش کردم تا نشان دهم که فیزیک در واقع فعالیتی است بسیار انسانی، زیرا بیانگر رابطهٔ میان طبیعت و انسان است، رابطهای که به دلیل درک رشد یابندهٔ انسان از طبیعت، هرچه بیشتر ملموستر و فراگیرتر میشود. این رشد، در طول این قرن نسبتاً سریع بوده است، و به طور فزایندهای به رشد سریع کاربردهای تکنیکی انجامیده است.
نوشتهٔ ویکتور فـ. ویسکوف ترجمهٔ جعفر مزیدی
منبع: مجله دانشمند دهه شصت خورشیدی