تلاش انیشتین برای وحدت نیروها
وقتى آلبرت اینشتین در اوایل دهه ۱۹۲۰ تلاش هایى را براى ارائه یک نظریه وحدت بخش در فیزیک آغاز کرد، اوضاع خیلى امیدوارکننده بود. نظریه هاى موجود- یعنى نسبیت و مکانیک کوآنتومى نوظهور- همانقدر پرسش تازه مطرح مى کردند که به آنها جواب مى دادند و به همین خاطر بیشتر فیزیکدان ها نیاز به یک چارچوب نظرى بزرگتر را احساس مى کردند. اولین ایده ها در این راه به چهره هایى مثل هرمان ویل، آرتور استنلى ادینگتون و تئودور کالوتزا مربوط بود که هر چند تلاش هایشان نیروها را متحد نکرد اما باعث شد نظریه پردازان با مفاهیم مفیدى مثل تقارن پیمانه اى و ابعاد اضافه آشنا شوند.

اینشتین سه سال بعد از ارائه و انتشار مجموعه اى از نظریه هاى وحدت بخش تنها مانده بود. بقیه دانشمندان رهیافت او را به بن بست رسیده مى دیدند، اظهارنظرى که میزان پیشرفت این شاخه از فیزیک بعد از مرگ او در ۱۹۵۵ نیز آن را تایید مى کند. در حالى که اینشتین مى خواست نظریه وحدت بخش را روى نسبیت عام بنا کند، اتفاقات بعدى نشان داد که مکانیک کوآنتومى بهترین نقطه شروع این راه است.

اواخر سال ۱۹۴۹ بود که اینشتین فرمول بندى نظریه وحدت بخش اش را منتشر کرد و دبیران مجله ساینتیفیک آمریکن بلافاصله از او خواستند تا یک نسخه عامه فهم تر از آن را هم تهیه کند. این مقاله که در شماره آوریل ۱۹۵۰ مجله به چاپ رسید، دو تا مانده به آخرین مقاله اى بود که او درباره یک موضوع علمى و به زبان ساده نوشت. اصل مطلب را اینشتین به صورت یک دست نویس شتابزده و بد خط به زبان آلمانى به مجله داد و چیزى که منتشر شد یک ترجمه تقریباً ویرایش نشده بود: متنى خشک و فنى که خواندنش اصلاً راحت و خوشایند نیست و هیچ اثرى از آزمایش هاى فکرى درخشان اینشتین- قطارها، پرتوهاى نور، آسانسورها- که نوشته هاى قبلى اش را جذاب و ساده فهم مى کرد در آن دیده نمى شود. توضیحات و توصیفاتش از جزئیات این نظریه وحدت بخش هم آنقدر گنگ و مبهم است که کسى تقریباً چیزى از آن نمى فهمد. دنیس فلاناگان، سردبیر آن موقع مجله یادآورى مى کند که: «مقاله از آن چیزهایى که معمولاً چاپ مى کردیم، بسیار دشوارتر و پیچیده تر بود و بنابراین چندین تغییر ویرایشى را به دکتر اینشتین پیشنهاد کردیم. اما او احساس مى کرد که متن باید بدون تغییر چاپ شود.»

مقاله به خوانش چندین باره نیاز دارد، به ویژه اگر خواننده به چشم مطلبى درباره فلسفه علم به آن نگاه کند تا علم. مجرد و انتزاعى بودن مقاله هر چند مانعى تقریباً غیرقابل عبور براى خواننده عادى به حساب مى آید، در واقع یکى از مهم ترین جنبه هاى آن است که از جابه جایى و تغییر اهداف کار اینشتین حکایت مى کند: علاقه تحقیقاتى اصلى او دیگر تلاش براى توضیح پدیده هاى مشاهده شده در طبیعت نبود. نظریه نسبیت عام گرانش را توضیح مى داد و معادلات ماکسول هم از پس دیگر نیروى مهم طبیعت یعنى الکترومغناطیس برمى آمد. اینشتین حالا دیگر تلاش مى کرد که این دو نظریه را با یکدیگر پیوند دهد.

به این ترتیب این ساختار محض و انتزاعى این نظریه ها بود که برایش اهمیت داشت. اینشتین در قسمتى از این مقاله مى گوید: «نیاز به نظریه هاى تازه در درجه اول آنجا مطرح مى شود که پدیده هاى جدید را نتوان با نظریه هاى موجود توضیح داد اما این انگیزه براى ساخت و ارائه نظریه هاى جدید بیش از حد بدیهى است. انگیزه دیگرى هم هست که اهمیتى لااقل برابر دارد و آن حرکت به سوى یکپارچگى و ساده سازى کل نظریه است.»

فیزیکدانان تا آن موقع میوه هاى نزدیک به زمین را چیده بودند (کارى که نتیجه اش قوانین براى توصیف تجربیات مستقیم بشر در رابطه با طبیعت بود) و بنابراین گام بعدى همین طور که اینشتین مى گوید، خواه ناخواه دشوارتر مى شد: «یکى از مزیت هاى مهم هر نظریه اى این است که مفاهیم اصلى و اصول بنیادى اش «به تجربه نزدیک» باشد. خطر اینکه چنین نظریه اى به کلى پرت و اشتباه از آب درآید، کمتر است؛ مخصوصاً به این دلیل که رد کردن یا نقض آن در هر مرحله اى به وسیله آزمایش، زمان و کوشش بسیار کمترى مى طلبد. با این حال هر چه دانش ما عمیق تر مى شود باید این مزیت را به نفع سادگى منطقى و یکپارچگى اصول یک نظریه فیزیکى کنار بگذاریم.»

این نکته ها حتى امروز هم وارد هستند. افراد زیادى شکایت مى کنند که نظریه ریسمان آنقدر از حیطه تجربه به دور افتاده است که دیگر نمى توان آن را علم خواند. اما در واقع هر نظریه اى که ارزش بنیادى نامیدن را داشته باشد، لااقل در ابتدا دور از دسترس به نظر مى آید. دیگر کسى نمى تواند چند مشاهده و آزمایش انجام بدهد و با رعایت مجموعه اى از قوانین یک توضیح برسد. باید ایده اى به ذهن تان برسد، آن را جلو ببرید و بسط بدهید و تازه آن موقع بفهمید که چطور باید به طریق تجربى امتحانش کرد. از این دیدگاه علم هم نوعى هنر است. اینشتین مى نویسد: «ایده نظرى جدا و مستقل از تجربه به ذهن نمى آید و البته با یک فرآیند کاملاً منطقى هم نمى شود از تجربه استخراجش کرد. چنین ایده اى حاصل یک عمل خلاقانه است.»

در نظریه هاى اینشتین جرقه خلاقانه، ایده تقارن بود. یک جسم متقارن حتى تحت مجموعه اى از تبدیل ها (انعکاس، چرخش، جابه جایى) یکسان باقى مى ماند. از نظر ریاضى یک تبدیل مثل این است که معادله مربوطه را در یک نرم افزار تایپ بنویسید و بعد عملیات جست وجو و جایگزینى را در آن انجام دهید. اگر معادله داراى نوع خاصى از تقارن باشد، عملیات جست وجو و جایگزینى هیچ اثرى روى آن نمى گذارد.مثال ساده اش معادل هذلولى است: xy=1 اگر در این معادله به جاى x، y و به جاى y،x بگذاریم معادله تغییرى نمى کند.این توصیف روش مجردى است براى گفتن اینکه دو بازوى هذلولى، تصویر آینه اى یکدیگر هستند. هدف اینشتین، رسیدن به معادلاتى بود که تا حد ممکن تحت تاثیر عملیات متعدد جست وجو و جایگزینى، یکسان باقى بمانند. ایده اصلى این است که هرچه معادلات متقارن تر باشند، پدیده هاى بیشترى را در خود جاى مى دهند.

مثلاً در مورد نسبیت خاص مى توان هر نمونه اى از x،y ، z وt (مختصاتى که فضا- زمان را مشخص مى کند) را تابع ریاضى خاصى از x، y، z و t جایگزین کرد و به همین دلیل هم به آن نسبیت خاص مى گویند این تقارن فضا را با زمان یکپارچه مى کند و براى محاسبه فاصله میان دو نقطه دیگر نمى توان از رابطه فیثاغورثى معمول که شامل x، y و z و است، استفاده کرد. حالا به یک نسخه چهار بعدى از این رابطه نیاز داریم که t را هم دربرگیرد. نسبیت عام دامنه عملیات جست وجو و جایگزینى هاى ممکن را گسترش مى دهد. یعنى به جاى یک تابع خاص از x، y، z و t تقریباً هر تابعى از این مولفه ها مجاز است براى اینکه معادلات فیزیک یکسان باقى بمانند، یک نیرو را باید وارد بازى کرد و این نیرو چیزى نیست جز گرانش. در این شرایط فاصله میان دو نقطه با قانونى به مراتب پیچیده تر از رابطه فیثاغورث- به نام متریک- محاسبه مى شود. متریک فضا را مى توان یک ماتریس عددى ۴*۴ نمایش داد.

یکسان بودن فاصله A تا B و B تا A ایجاب مى کند که این ماتریس حول قطر اصلى اش متقارن باشد و به این ترتیب ماتریس با ۱۰ عدد غیرتکرارى مشخص مى شود. استدلال اینشتین این بود که چرا بایدداستان همین جا خاتمه پیدا کند؟ چرا هر ماتریسى- نه فقط متقارن ها- را مجاز ندانیم؟ کافى است به ماتریس متقارن (با ۱۰ عدد غیرتکرارى) یک ماتریس پادمتقارن (با شش عدد غیرتکرارى) اضافه شود. اتفاقاً معادلات ماکسول را مى توان با یک ماتریس پاد متقارن نوشت و بنابراین طبیعى است که امیدوار باشیم این رهیافت، گرانش و الکترومغناطیس را یکپارچه کند.

اما متاسفانه همه چیز هاى طبیعى الزاماً درست از آب درنمى آیند. اینشتین در تلاش براى هماهنگى دو ماتریس به مشکل برخورد. مشکلى که برخلاف تصورش گذر او موضعى نبود و در یک ناهمگونى عمیق ریشه داشت. برخلاف شباهت هاى بیرونى گرانش و الکترومغناطیس بررسى ها نشان داد که این دو اساساً متفاوتند. غیر از این در طول سه دهه اى که اینشتین نظریه وحدت بخش را رواج مى داد، محققان نیروهاى جدیدى پیدا کردند که در این چارچوب نمى گنجید: نیروهاى هسته اى ضعیف و قوى.

الکترومغناطیس بیشتر از آنکه به گرانش نزدیک باشد، به این نیروها شباهت دارد هر چند که غریزه هاى اینشتین درباره تقارن درست بود، اما او داشت این ابزارهاى کارآمد را بر ورودى هاى نامناسب اعمال مى کرد. وى در بخشى از مقاله مورد نظر نوشته است: «هیچ دلیلى نمى بینم که فرض کنم ساختار نسبیت عام تنها به گرانش محدود باشد و با بقیه فیزیک جداگانه و به طریقى دیگر برخورد شود. کوچکى نسبى چیزى که امروز به عنوان اثرات گرانشى مى شناسیم، دلیل قانع کننده اى براى نادیده گرفتن نسبیت عام در بررسى هاى نظرى بنیاد فیزیک نیست.به عبارت دیگر به اعتقاد من پرسیدن این سئوال که «فیزیک بدون گرانش چه شکلى مى شد؟» اصلاً قابل توجیه نیست.»

اما تاریخ عکس این ماجرا را ثابت کرد. مکانیک کوآنتومى بدون نیاز به گرانش از پس توضیح الکترومغناطیس، نیروهاى هسته اى و ساختار ماده با دقتى چشمگیر برمى آید. گرانش در واقع آن تکه اى از فیزیک بود که یکپارچه کردنش با بقیه دشوارتر از همه از آب درآمد و فیزیکدان ها همچنان با آن دست و پنجه نرم مى کنند. اکنون گرانش نیز مثل اینشتین در سال هاى آخر عمرش تنها مانده است.