گفتارهایی از فیزیک | کارلو روولی | شیرین رهنما نشر چترنگ

در اینجا مقدمه و بخشی از متن کتاب گفتارهایی از فیزیک نوشته کارلو روولی ترجمه شیرین رهنما که توسط نشر چترنگ منتشر شده برای آشنایی بیشتر با این کتاب ارائه گردیده است.

به علاقه مندان به مباحث علمی و به خصوص فیزیک که وقت و حوصله کافی برای خواندن کتب قطور و پپیچیده در باب فیزیک نوین را ندارند پیشنهاد می‌کنیم که این کتاب را تهیه و مطالعه کنند. حجم پایین کتاب و متن روان آن مخاطب را جذب نموده و می‌توان آن را در کمتر از ۵ ساعت به طور کامل مطالعه کرد.

پیشگفتار کتاب گفتارهایی از فیزیک نوشته کارلو روولی ترجمه شیرین رهنما نشر چترنگ

این کتاب برای افرادی نوشته شده است که از فیزیک مدرن چیزی نمی‌دانند یا دانش اندکی در این زمینه دارند. این مجموعه به بررسی اجمالی و مروری سریع بر حیرت انگیزترین مسائل و جنبه‌های انقلاب بزرگی می پردازد که در قرن بیستم میلادی در دنیای فیزیک رخ‌داد. همچنین سؤالات و ابهاماتی را که این انقلاب بزرگ از آنها پرده برداشت، پاسخ می‌دهد. علم علاوه بر اینکه به انسان می‌آموزد چگونه جهان هستی را بهتر درک کند، وسعت آنچه هنوز برای بشر ناشناخته و ندانسته است را نیز آشکار می‌سازد. اولین گفتار به نظریهٔ نسبیت عام آلبرت اینشتین با عنوان «زیباترین نظریه» اختصاص دارد. دومین گفتار، نظریهٔ مکانیک کوانتومی است که به شگفت‌انگیزترین جنبه‌های فیزیک مدرن می‌پردازد. سومین گفتار مربوط به کیهان و معماری جهانی است که در آن زندگی می‌کنیم. چهارمین گفتار به ذرات اولیهٔ جهان اختصاص دارد. پنجمین گفتار دربارهٔ گرانش کوانتومی است؛ تلاش‌هایی که همچنان به منظور ارائهٔ تلفیقی از اکتشافات مهم قرن بیستم ادامه دارد. ششمین گفتار احتمال وجود سیاهچاله‌های بزرگ و گرمای آن‌ها را بیان می‌کند. بخش آخر این کتاب به موضوع انسان می‌پردازد و به این سؤال که با توجه به دنیای عجیبی که علم فیزیک به تصویر می‌کشد، چگونه امکان دارد که راجع به وجود و حیات بشر سخن گفت. این مطالب برگرفته از سری مقالاتی است که در بخش پیوست روزنامهٔ ایتالیایی ایل سوله ونتی کواتر اوره به چاپ رسید. در اینجا قدردانی ویژه‌ای خواهم داشت از آرماندو ماسارنتی به سبب اختصاص دادن صفحات فرهنگی روزنامه یکشنبه به علم، و فراهم آوردن زمینه‌ای برای آشکارسازی نقش این مهم در تمدن و زندگی بشری.

گفتارهایی از فیزیک – گفتار اول – زیباترین نظریه

آلبرت اینشتین یک سال از دوران جوانی خود را، بدون دنبال کردن هدفی خاص، سپری کرد. انسان بدون «اتلاف» وقت به جایی نم‌یرسد و این نکته‌ای است که متأسفانه والدین نوجوانان اغلب فراموش می‌کنند.
سخت گیری‌های بیش از حد دبیرستان محل تحصیلش در آلمان، اینشتین را وادار کرد تا تحصیل خود را رها کرده، به خانواده‌اش در پاویا بپیوندد.
این اتفاق همزمان با شروع قرن بیستم میلادی و مقارن با آغاز انقلاب صنعتی در ایتالیا بود. پدرش مهندسی و در حال راه‌اندازی اولین نیروگاه برق در دشت‌های پادوا بود. آلبرت، کانت می‌خواند و در کلاس‌هایی که گه گاه در دانشگاه پاویا برگزار می‌شد شرکت می‌کرد.
او صرفاً از روی علاقه و بدون اینکه حتی در دانشگاه ثبت نام کرده باشد یا به امتحان دادن فکر کند در این کلاس‌ها حاضر می‌شد. این همان شیوه‌ای است که دانشمندهای متفکر را می‌آفریند.
او بعدها در دانشگاه زوریخ ثبت نام کرد و به مطالعهٔ علم فیزیک پرداخت. چند سال بعد، در سال ۱۹۰۵، سه مقاله به برترین ژورنال علمی آن‌زمان، به نام سالنامهٔ فیزیک فرستاد که هریک از این مقالات ارزشمند، شایستهٔ دریافت جایزهٔ نوبل‌اند.
اولین مقاله ثابت می کند که اتمها وجود دارند. دومین مقاله پایه‌های اولیهٔ نظریهٔ مکانیک کوانتومی را بنیان می‌گذارد که در گفتار بعد بحث خواهد شد. سومین مقاله نیز اولین نظریهٔ نسبیت اینشتین را بیان می‌کند (که امروزه «نسبیت خاص» نامیده می‌شود)، این نظریه ثابت می‌کند چگونه گذشت زمان برای هر شخص متفاوت است. به عبارت دیگر، گذر زمان برای دوقلوها یکسان نخواهد بود، اگر یکی از آنها با سرعت نور به فضا سفر کرده باشد.
اینشتین در مدت زمانی کوتاه دانشمندی مشهور و از طرف دانشگاه‌های متعددی دعوت به کار شد. اما یک موضوع او را همچنان آشفته می‌کرد و آن اینکه اگرچه نظریهٔ او تحسین برانگیز بود، با آنچه در مورد گرانش می‌دانیم و چگونگی به زمین افتادن اشیا مغایرت داشت. او زمانی که در حال خلاصه کردن نظریه‌اش و به چاپ رساندن مقاله‌ای در این زمینه بود، به این تضاد پی‌برد. اینشتین با خود چنین اندیشید که ممکن است قانون «گرانش عمومی» که پدر علم فیزیک، اسحاق نیوتن، آن را بیان کرده بود نیاز به تجدید نظر و اصلاحاتی داشته تا با نظریهٔ نسبیت او مطابقت داشته باشد. او مدت ده سال به مطالعه و تحقیق در این زمینه پرداخت. تا سرانجام با تلاش‌های بی وقفه برای رفع ابهامات موفق به درک حقیقت شد.
او در نوامبر سال ۱۹۱۵ با انتشار مقاله‌ای به بیان نظریهٔ جدید گرانش پرداخت و آن را «نظریهٔ نسبیت عام» نامید که فیزیکدان معروف روسی لو لانداو، از این نظریه با عنوان شاهکار اینشتین و زیباترین نظریه یاد می کند.
شاهکارهای انکارناپذیری وجود دارند که عمیقاً در ما تأثیر می گذارند: سمفونی (رکوئیم) مرگ موتزارت، اودیسهٔ هومر، کلیسای سیستین و شاه لیر. درک کامل ظرافت این آثار هنری خارق العاده نیازمند تفکر و آموزش طولانی مدت است. ولی در عوض، در پایان این دورهٔ آموزشی طولانی آنچه دریافت خواهیم کرد چیزی نیست مگر درک زیبایی محض، و البته در کنار درک این زیبایی محض، چشمان ما را با نگرشی جدید به جهان هستی باز می کند. نظریهٔ نسبیت عام اینشتین، شاهکاری از این نوع است.
هیجانی را که در آغاز درک بخشی از این نظریه داشتم خوب به خاطر دارم. تابستان بود و من سال آخر دانشگاه بودم، تعطیلات دانشگاهی را سپری می کردم و در ساحلی واقع در کُندوفوری در کالابریا، از تابش نور خورشید مدیترانه‌ای یونان لذت می‌بردم. به دور از دغدغهٔ درس و دانشگاه، با آرامش خیال مطالعه می‌کردم. لبه‌های کتابی را که می‌خواندم موش‌ها جویده بودند، چراکه شب‌ها با آن کتاب سوراخ‌های ورود و خروج این موجودات کوچک را به داخل خانه مسدود می‌کردم. خانه‌ای مخروبه و ویران واقع در تپه‌های اومبریا؛ جایی که معمولاً برای رهایی از کلاس‌های خسته‌کنندهٔ دانشگاهی در بولونیا به آنجا پناه می‌بردم. هر از گاهی چشم‌هایم را از کتاب برداشته، نگاهی به دریای درخشان می‌انداختم: چنین به نظر می‌رسید که واقعاً پیچش فضا و زمان را که اینشتین بیان کرده بود، می‌بینم. به گونه‌ای معجزه‌آسا، مثل زمانی که دوستی در گوشم حقیقت پنهان خارق العاده‌ای را زمزمه کند، ناگهان پرده از حقیقت برداشته شد و نظام ساده‌تر و عمیق تری آشکار شد. از زمانی که کشف کردیم زمین گرد است و حرکتی مشابه دوک نخ ریسی دارد، فهمیده‌ایم واقعیت دقیقاً آن چیزی نیست که به نظر ما می‌رسد: در هر زمان بخشی از آن را درک می‌کنیم. این تجربه‌ای عمیقاً احساسی است، بنابراین پردهٔ دیگری می‌افتد و حقیقت آشکار می‌شود.
اما در میان تلاش‌های متعدد ما در درک مفاهیم در طول زمان، درک نظریهٔ اینشتین شاید بی نظیر باشد. چرا؟
قبل از هرچیز، به محض اینکه نظریهٔ اینشتین را درک کنیم، به سادگی خارق العادهٔ آن پی می‌بریم. در اینجا من این نظریه را خلاصه خواهم کرد.
نیوتن سعی کرد توضیح دهد چرا اشیا به زمین می‌افتند و چرا سیاره‌ها در حال گردش‌اند. او این مسئله را چنین توجیه کرد که «نیرو» یی وجود دارد که همهٔ اجسام مادی را به سمت یکدیگر می‌کشاند و این نیرو را «نیروی گرانش» نامید. اینکه چگونه این نیرو بین اجسام دور از هم اعمال می‌شود، بدون اینکه چیزی بین آنها قرار گرفته باشد، ناشناخته بود و پدر علم فیزیک مدرن در ارائهٔ نظریه در این زمینه با احتیاط عمل کرد. نیوتن همچنین تصور می‌کرد که اجسام در فضا حرکت می‌کنند، و فضا یک ظرف بزرگ خالی است، جعبهٔ بزرگی که جهان‌هستی را احاطه می‌کند، ساختاری عظیم که همهٔ اشیا در آن حرکت می‌کنند تا زمانی که نیرویی باعث تغییر مسیر آنها شود و آنها را از مسیرشان منحرف کند. اما نیوتن قادر به بیان این مطلب نبود که «فضا»، یا به تعبیر وی ظرف دربرگیرندهٔ جهان هستی، از چه تشکیل شده است. اما چند سال قبل از تولد اینشتین، دو فیزیکدان معروف و بزرگ بریتانیایی، به نام‌های مایکل فارادی و جیمز مکسول، جزء کلیدی جدیدی را که همان میدان الکترومغناطیسی بود، به جهان سرد نیوتون افزودند: این میدان موجودیتی واقعی است که همه‌جا منتشر می‌شود، امواج رادیویی را منتقل می کند، فضا را پر می‌کند، ارتعاش یافته، درست مثل سطح دریاچه نوسان می‌یابد، و به این ترتیب نیروی الکتریکی را «منتقل می کند». میدان الکترومغناطیسی، پره‌های نیروگاه‌های برق را، که پدر اینشتین ساخته بود و از دوران نوجوانی توجه اینشتین را به خود جلب کرده بود، به چرخش در می‌آورد. او خیلی زود این مطلب را درک کرد که نیروی جاذبه نیز همانند الکتریسیته باید از طریق یک میدان منتقل شود: یک «میدان گرانشی» مشابه «میدان الکتریکی» باید وجود داشته باشد. او سعی کرد بفهمد که «میدان گرانشی» چگونه عمل می‌کند و چگونه می‌توان این میدان را با کمک معادلات توصیف کرد.
و درست در همان زمان بود که ایدهٔ بسیار جالبی، که نشانه و تأییدی بر نبوغ خالص. اوست، به ذهنش خطور کرد: میدان گرانشی در فضا منتشر نمی‌شود؛ میدان گرانشی در واقع، خود فضاست. این همان ایده‌ای است که نظریهٔ نسبیت عام اینشتین بیان می کند. بنابراین «فضا» که از دید نیوتن اجسام در آن حرکت می‌کنند، و «میدان گرانشی» هر دو یک مفهوم دارند و یکی هستند.
لحظهٔ بینش، درک و آگاهی است. درک سادگی زیبا و حائز اهمیت جهان هستی: فضا دیگر چیزی جدا از ماده نیست، یکی از اجزای مادی سازندهٔ جهان هستی است. ماهیتی که مواج است و ارتعاش می‌یابد، انحنا پیدا می‌کند، خمیدگی و پیچ وتاب دارد. ما درون زیرساختاری سخت، انعطافناپذیر و نامرئی محصور نشده‌ایم، بلکه در فضایی غوطه‌وریم که چون پوستهٔ حلزون منعطف و بسیار بزرگ است. اطرافش را خم می‌کند و چرخش زمین به دور خورشید به دلیل وجود نیروی اسرارآمیز نیست، بلکه حرکت زمین به دور خورشید به دلیل این است که زمین در فضایی حرکت می‌کند که خم می‌شود، درست شبیه گلوله‌ای که در یک قیف میچرخد. در مرکز این قیف هیچ نیروی اسرارآمیزی وجود ندارد، بلکه ماهیت خمیدهٔ دیواره‌های آن است که باعث می‌شود گلوله به چرخش در دوران درآید. سیاره‌ها به دور خورشید میچرخند، و اجسام می‌افتند، به دلیل اینکه فضا خمیده است.
چگونه می‌توان خمیدگی فضا را توصیف کرد؟