علیت در فیزیک کلاسیک

این امر که هر حادثه معلول علتی است در فیزیک کلاسیک بدین صورت تعبیر می شد که در صورت فهم و علم به حالت فعلی یک سیستم قادر به پیش بینی آینده آن خواهیم بود. منظور از فهم در این تعبیر، تعیین و اندازه گیری دقیق تمامی کمیت های سیستم در زمان حال بود. از آنجایی که سیستم های فیزیکی از قوانین تغییرناپذیر علی پیروی می کنند، رفتار آنها در آینده نیز تابع این قوانین و به عبارت دیگر تابع حالت فعلی آنها خواهد بود؛ بنابراین صرف تعیین مقادیر مربوط به حالت فعلی آنها، کافیست تا با استفاده از قوانین فیزیکی آینده آنها را پیش بینی کنیم.
تعبیر فوق از اصل علیت تعبیر مورد قبول و رسمی آن نزد فیزیکدانان بود. لا پلاس در قرن ۱۹ میلادی این نگاه و تعبیر فیزیکی را در قالبی علمی- فلسفی مدون ساخت. براساس این بینش قوانین تغییر ناپذیری بر تمامی اجزای جهان به طور یکنواخت حکمفرما بود و جهان از یک موجبیت علمی پیروی می کرد. در این مورد لاپلاس چنین می گوید: «ما می توانیم حالت فعلی جهان را معلول حالت قبلی آن و علت حالت بعدی اش بدانیم... یک مغز متفکر که در یک لحظه تمامی نیروهای به کاراندازنده طبیعت و مکان موجودات سازنده آن را می داند... می تواند حرکات بزرگ ترین اشیای جهان و سبکترین اتم ها را در یک فرمول جای دهد. برای چنین موجودی هیچ چیز غیر یقینی نیست و آینده مثل گذشته در مقابل چشمانش حاضر است. مغز انسانی در تکاملی که توانسته است به نجوم بدهد ایده ضعیفی از این مغز متفکر به دست می دهد.»
همچنین ضرورت عقلی و پیشینی اصل علیت به عنوان یکی از اصول بنیادی علمی از دیگر موارد مورد قبول عامه فیزیکدانان کلاسیک بود. ایما نوئل کانت فیلسوف برجسته آلمانی که نظریه شناخت عملی خود تحت عنوان نقد عقل نظری را برپایه فیزیک و ریاضیات کلاسیک بنا کرده است در مورد یقینی بودن فیزیک کلاسیک و اصل علیت چنین می گوید: «ما واقعاً واجد فیزیک محضی هستیم که در آن قوانین حاکم بر طبیعت اشیا به نحو مقدم بر تجربه با همه ضرورتی که لازمه قضایای یقینی است عرضه گشته است... چندین اصل هست که از آن کلیتی که مطلوب ماست برخوردار است، از قبیل این قضیه که جوهر باقی می ماند و ثابت است و هر آنچه حادث می شود، همواره از پیش به موجب علتی بر طبق قوانین ثابت وجوب یافته است. »..
علی رغم ایراداتی که دیوید هیوم فیلسوف تجربه گرای انگلیسی در نظریه شناخت خود بر اصل علیت و حتی معرفت علمی وارد ساخته بود، فیزیکدانان کلاسیک هرگز در اصالت و پیشینی بودن این اصل نزد عقل انسان شک نکرده بودند و در واقع تعبیر کانتی از اصل علیت یکی از پیش فرض های اساسی علم کلاسیک بود. به عنوان مثال مکانیک نیوتنی که شاخص ترین نظریه فیزیک کلاسیک محسوب می شود، به وضوح اعمال نگرش مذهبی نیوتن در صورتبندی علی جهان براساس خلقت خداوندی است. او در جمله معروف «... من فرضیه به قالب نمی ریزم..» و یا تعبیر خود از فضاو زمان مطلق به وضوح این ایده را بیان می کند که قوانین فیزیکی، صور ریاضی از اراده و مشیت الهی هستند و کارفیزیکدان کشف روابط علی و معلولی حاصل از این اراده و اعمال آن بر پدیده هاست. در واقع هم توفیق همین نوع نگرش در تبیین بسیاری از پدیده های فیزیکی بود که آرام آرام فیزیکدانان را به تز موجبیت و پیش بینی حالت آینده سیستم براساس حالت فعلی آن رهنمون ساخت. به عبارت دیگر اصل علیت از همان ابتدا جزو مسلمات فیزیکدانان کلاسیک بود و قدرت و انسجام دستگاه معرفتی ایشان در تبیین جهان پدیدارها، فیزیکدانان را به اصل موجبیت رساند تا بدانجایی که رودلف کارنپ فیلسوف شهیر علم، معنای رابطه علی نزد دانشمندان و فیزیکدانان را قابلیت پیش بینی اعلام می کند.
اصل عدم قطعیت
اصل موجبیت در فیزیک کلاسیک به همان صورتی که پیشتر بیان شد تا قرن نوزدهم میلادی مورد پذیرش فیزیکدانان بود ولی اواسط همین قرن و اوایل قرن بیستم بود که فیزیکدانانی همچون چارلز پیر می در تئوری شانس در سطح اتمی، بولتسمن در تئوری گازها و دیگران چون کورنو، رنوویه، اکسنر (جانشین بولتسمن در دانشگاه وین)، پو آنکاره، چارلز گالتون داروین و از همه بنام تر ماکس پلانک این اصل را به زیر سؤال بردند.
ماکس پلانک اعتقادی به ضرورت اصل علیت نداشت و حتی آن را ناشی از اعتقادی جزمی و غیر ذاتی می دانست. در کتاب خود با نام «علم به کجا می رود » شواهدی ذکر می کند از نقض قوانین علی از آن جمله اند: معجزه و خرق عادت در نظرگاه دینی، شعاع نور که همواره سریعترین و کوتاه ترین مسیر ها را انتخاب می کند و به تعبیر پلانک گویی مقداری شعور دارد و نیز مسئله حرکت مجازی که تابع قوانین دینامیک نیست و از لحاظ علیت غیر ممکن به نظر می رسد. در همین کتاب او در مورد عدم ضرورت اصل علیت به صراحت چنین می گوید: «قبول اصل علیت از لوازم ضروری فکر انسان به شمار نمی رود. حقیقت امر این است که هیچ چیز برای فکر انسان سهل تر از آن نیست که جهانی را تصور کند که همه چیز آن زیر و رو شده و به صورت تازه ای در آمده است... مثلاً می توانیم چنین تصور کنیم که آب آبشار نیاگارا از پائین به بالا جریان پیدا کند و یا... در عالم واقعیت از چنین امور سخت گفتن ممکن است نامربوط و بی معنی به نظر برسد؛ ولااقل می توانیم آنها را از طریق استدلال روزانه خود غیر ممکن بدانیم. ولی باید میان این نوع عدم امکان با عدم امکان منطقی تفاوت قائل شد. مانند عدم امکان منطقی مربعی به شکل دایره یا جزء شیئی بزرگ تر از خود شیء... این نوع عدم امکان وابسته و چسبیده به ماهیت خود فکر انسان است، در صورتی که اندیشه پیدا شدن چیزی در خارج از قاعده علیت از لحاظ منطقی امکان دارد.»
به هر حال تا زمان صورتبندی ریاضی اصل عدم قطعیت در مکانیک کوانتومی توسط ورنر هایزنبرگ، انتقادات به اصل علیت جدی نشده بود. در سال ۱۹۲۶ میلادی اصل عدم قطعیت ذرات بنیادی توسط هایزنبرگ به شکل زیر فرموله شد:
مطابق رابطه مزبور اندازه گیری دقیق مختصات (X) و اندازه حرکت (P) ذره بنیادی به طور همزمان غیر ممکن است. چرا که هر کوششی در راستای کاهش خطای اندازه گیری یکی از متغیرهای فوق منجر به افزایش خطای اندازه گیری متغیر دیگر می شود. بدین ترتیب مختصات و اندازه حرکت ذره بنیادی کمیاتی هستند که به طور همزمان غیر قابل محاسبه به نظر می رسند. یعنی حالت فعلی سیستم مبهم و بنابراین آینده آن غیر معین یا به عبارتی غیر موجبیتی است. بر همین اساس این ایده در میان نسل جدیدی از فیزیکدانان شکل گرفت که دنیای ذرات بنیادی، دنیایی غیر موجبیتی است و در مرحله بعدی به این نتیجه رسیدند که حتی این دنیا از روابط علی دنیای کلان تبعیت نمی کند.
نکته قابل توجه در تعبیر مزبور آن که محدودیت موجود در اندازه گیری همزمان کمیات اندازه حرکت و مختصات ذره بنیادی هیچ ربطی به شرایط تجربه نداشته و در واقع خاصیت بنیادی طبیعت می باشد. این محدودیت به هیچ وجه نقص دستگاه اندازه گیری را نشان نمی دهد و امیدی نیست که با پیشرفت فنون اندازه گیری کاهش یابد یعنی تا زمانی که قوانین مکانیک کوانتومی و به خصوص اصل عدم قطعیت آن پا بر جا باشد، این محدودیت به طور ذاتی در طبیعت موجود است. البته منظور از بیان مزبور این نیست که طبیعت باید از قوانین مکانیک کوانتومی تبعیت کند. ممکن است در آینده ثابت شود که مکانیک کوانتومی حاوی تعارضات و ناسازگاری های جدی است و باید کنار رود ولی فعلاً بهترین دستگاه فیزیکی موجود برای توصیف پدیده های زیر اتمی به نظر می رسد و تا آن زمان قوانین طبیعت را نشان داده، آن را توصیف می کند. خلاصه آن که مطابق آنچه ذکر شد تکلیف اصل علیت مطابق استدلال زیر روشن می شد:
علیت یعنی قابلیت پیش بینی. «کبری»
طبیعت در حوزه ذات بنیادی فاقد رفتار پیش بینی پذیر است. «صغری»
نتیجه: طبیعت در حوزه ذات بنیادی فاقد رفتار علی است.
بیان فوق که در واقع افراطی ترین طرز تلقی از روابط عدم قطعیت می باشد، موسوم به تعبیر کپنهاگی می باشد. هایزنبرگ واضع اصل عدم قطعیت و فرمالیسم مکانیک ماتریسی در فیزیک کوانتوم در این رابطه چنین می گوید: «اگر حال را دقیقاً بدانیم، آینده را می توانیم پیش بینی کنیم.»
و سپس چنین ادامه می دهد: «با توجه به ارتباط نزدیک بین سرشت آماری نظریه کوانتوم و عدم دقت تمامی ادراکات ممکن است پیشنهاد شود که در پس جهان آماری ادراک یک جهان واقعی قرار دارد که محکوم علیت است. این خیالپردازی به نظر ما، و ما این را به طور صریح می گوییم، بی فایده است و بی معنی. زیرا فیزیک جدید باید خودش را محدود به توصیف همبستگی مشاهدات بنماید. در واقع وضعیت واقعی را می توان به صورت زیر بیان کرد: چون تمامی آزمایش ها محکوم قوانین مکانیک کوانتومی... هستند، پس نتیجه می گیریم که مکانیک کوانتومی انهدام نهایی علیت را تثبیت می کند.»
ماکس بورن دیگر فیزیکدان نامی معاصر با هایزنبرگ با استدلالی مشابه، اصل علیت را بی محتوا اعلام می کند:
«... قانون علیت به مفهوم معمولی آن، لااقل برای فیزیکدانان بی محتوا شده است. می توان آن را قبول یا رد کرد.»
نیلز بور تئوریسین اصلی مکتب کپنهاگی که اصل مکملیت را مطرح کرد، پس از مذاکراتی با هایزنبرگ متقاعد شد که روابط عدم قطعیت بیانی ریاضی از مفهوم مکملیت است. اصل مکملیت بور، بیانی از خواص صحیح اما مانعة الجمع در حوزه مورد بررسی است که امکان حضور مفرد آنها میسر ولی همراه با مکملشان غیر ممکن است. مثلاً توصیف ذره ای و موجی الکترون و یا اندازه گیری توأمان اندازه حرکت و مختصات ذره بنیادی.
اما تعبیر کپنهاگی روابط عدم قطعیت و حمله به علیت انتقادات فراوانی را برانگیخت. مثلاً در سال ۱۹۲۹ میلادی برگمن تلقی هایزنبرگ از عدم قطعیت را این طور زیر سؤال برد: از آنجایی که قوانین علی در فیزیک به صورت ترکیب شرطی P*Q ظاهر می شوند اصل عدم قطعیت حداکثر بطلان شرایط تحقیق درستی یا نادرستی مقدم را در پی دارد، چون نشان می دهد که شرایط اولیه نامعین هستند و این به هیچ وجه به معنای انکار این رابطه نیست بلکه حداکثر عدم وجود روشی برای تحقیق آن در سطح زیراتمی را نشان می دهد ولی هایزنبرگ معتقد بود که در اینجا این مقدمه قضیه شرطیه نیست که باطل است بلکه نتیجه قضیه، باطل است. کارل پاپر فیلسوف علم، اعتراض نمود که هایزنبرگ از استدلالی علی برای رد علیت استفاده کرده است. رودلف کارانپ دیگر فیلسوف علم معتقد است که مکانیک کوانتومی حداکثر جبریت و موجبیت را نقض کرده است و نه علیت را. هرچند او استدلال می کند که حتی پیش بینی پذیری هم دلیل خوبی برای حفظ موجبیت نیست. ولی به هر حال او ساختار جهان را علی می بیند: «این بی نظمی کمکی به تقویت معنای واژه انتخاب آزاد نمی کند. چنین انتخابی به هیچ وجه انتخاب محسوب نمی شود بلکه تصمیمی است تصادفی و دیمی. گویی با شیر یا خط یکی از دومشی ممکن انتخاب شده است. خوشبختانه محدوده عدم تعین در نظریه کوانتوم بسیار کوچک است. اگر این محدوده بسیار بزرگتر بود، امکان اتفاقاتی از قبیل انفجار ناگهانی یک میز یا بازگشت خود انگیخته سنگ در حال سقوط به هوا یا در جهت افقی زیاد می شد. ممکن است بتوان در چنین جهانی زندگی کرد، اما این امر مسلماً امکان انتخاب آزاد را زیاد نمی کند. برعکس آن را بسیار دشوار تر می کند، چون پیش بینی عواقب اعمالمان مشکل تر می شود...»
در عالم فیزیک نیز تعدادی از فیزیکدانان نامی علیه اظهارات مکتب کپنهاگی موضع گرفتند. به عنوان مثال آلبرت اینشتین و شرودینگر از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی تعبیر کپنهاگی را نپذیرفتند. «خداوند هرگز تاس بازی نمی کند» جمله ای معروف از اینشتین بود که در خلال مباحثات طولانی او با نیلز بور بر سر تعبیر روابط مکانیک کوانتومی بر سر زبانها افتاد. او با این بیان در واقع درصدد دفاع از اعتقادات کلامی خود در رابطه با قدرت و مشیت خداوند بود. همچنین به سال ۱۹۳۵ میلادی اینشتین،
پا دولسکی و روزن طرح آزمایشی را پیشنهاد دادند که نارسایی مکانیک کوانتومی را نشان می داد و ثابت می کرد که مکانیک کوانتومی بر خلاف ادعای فیزیکدانان مکتب کپنهاگی حرف آخر در فیزیک نیست. این آزمایش ها معروف شد به قضیه EPR که بحث در مورد آن تا امروز ادامه دارد. عده ای دیگر برای تبیین رفتار ذره به قضیه متغیرهای نهانی متوسل شدند که بر اساس آن سطح زیر کوانتومی وجود دارد که در آن پارامتر های دیگری موجودند که قادر به تبیین رفتار ذره هستند. بحث بر سر این متغیرها نیز تا امروز ادامه یافته است و دست آخر این که فیزیکدان دیگری به نام بوهم مکانیک اتمی دیگری با فرمالیسم جدیدی عرضه کرد که موجیتی بود.
با تمام این تفاصیل نظریه مکانیک کوانتومی از نظر غالب فیزیکدانان دستگاه ریاضی ساده ای داشت و قادر به ارائه توصیف و صورتبندی رضایت بخشی از دنیای زیر اتمی و پدیده های آن گردیده بود. بنابراین بین اکثریت ایشان مقبولیت یافت، فرآیندی که تا به امروز دوام یافته است.

رضا علیزاده
دانشجوی دکتری فلسفه علم

منبع : روزنامه ایران