تاریخ و فلسفه علم                      

براي نمايش بخش اول روي اين لينک کليک کنيد.

مفهوم میدان
(نقل از مجله انستیتوی فرانکلین، جلد  221 شماره مورخ 3 مارس  1936)
توفیق نیوتن در بیان نمود های نوری و برقی به پایه ی موفقیتهایی که وی در پهنه های دیگر مکانیک به دست آورده بودنمی رسید . نیوتن می کوشید تا ضمن نظریه ی ذره ای نور را به عنوان حرکت نقاط مادی توجیه کند؛ ولی بعدا چون نمودهای قطبشpolarization– پراشdifraction– - و تداخل نور interference- - موجد تغییراتی در ان گردید و بعلاوه این تغییرات رفته رفته ماهیت اصلی نظریه ی ذره ای را دگرگون ساخت لاجرم نظریه ی موجی هویگنسHUYGENS جای آن را گرفت. شاید مبدااین نظریه عمدة مدیون  نمود بلورهای نورانی و نظریه ی صوت باشد که قبلا تاحدی بسط و تکامل یافته بود . نظریه ی هویگنس نیز دربادی امر مبتنی بر مکانیک رسمی بود ، و اتری را ک سراسر فضا را پر کرده بود، محمل امواج تلقی می کرد؛ ولی هیچ نمود شناخته شده ای که معلوم بدارد اتر به چه نحو از نقاط مادی ساخته شده است به دست نمی داد. بعلاوه بدست آوردن تصویری روشن از نیروهای  داخلی که در اتر حکمفرما هستند و یا نیروهایی که بین اتر و ماده ی وزن دار تاثیر می کنند ، امکان نداشت . بدین نحو پایه های این نظریه برای ابد در ظلمت باقی ماند.
مبنای حقیقی آن یک معادله ی دیفرانسیلی جزئی بود که تحویل آن به اجزاء مکانیکی کماکان معمایی می نمود. برای مفهوم نظری نمودهای برقی و مغناتیسی بار دیگر اجرام خاصی در کار آمد، و وجود نیرئهایی مشابه نیروهایی گرانش نیوتن که از دور تاثیر می کنند مسلم دانسته شد. معهذا این نوع خاص ماده ظاهرا فاقد خاصیت اساسی جبر بود،؛ بعلاوه ماهیت نیروهایی که بین اجرام  ماده ی وزن دار تاثیر می کنند مجهول ماند. خصوصیت قطبی این مواد که با طرح مکانیک رسمی سازگار نبود نیز به این مشکلات افزوده گشت پس از آنکه نمودهای الکترودینامیک شناخته شد علمای فیزیک قادر به توضیح نمودهای مغناتیسی از طریق نمودهای الکترودینامیکی شده، و بدینم طریق فرض اجرام مغناتیسی را زائد تلقی کردند . گرچه این خود پیشرفتی برای فیزیک به شمار می رفت، ولی مبنای نظریه نارساتر و ناقص تر جلوه کرد زیرا این پیشرفت به ازاء افزایش اشکالات و درهم پیچیدگی نیروهای عمل متقابلی انجام گرفت که باید وجود آنها را میان اجرام برقی متحرک مسلم دانست بعدا نظریه ی میدان برقی فاراده و مکسول به جبران این وضع غیر رضایت بخش برخاست و به ترمیم آن همت گماشت. این هر دو نظریه را باید مهمترین و اساسی ترین تغییراتی دانست که از زمان نیوتن به بعد در اصول اساسی علم فیزیک به وجود آمده است. از این گذشته این تغییر را می توان قدم برجسته ای در راه پژوهش خلاقه و ابداعی دانست که فاصله ی مبان مبنای نظریه و تجربیات حسی را زیادتر کرده است. وجود میدان تنها هنگامی تجلی کرد که اجسام باردار برقی در آن وارد گشت. معادلات دیفرانسیلی مکسول ، ضرایب دیفرانسیلی فضایی و و زمانی میدانهای برقی و مغناطیسی را بهم مرتبط ساخت. برطبق نظریه ی میدان اجرام برقی صرفا محل هایی هستند که صدور میدان برقی در آنها محو نمی شود. همچنین امواج نور به صورت پیشروی موجی امواج برقاطیسی دز فضا تلقی گردید. مکسول برای اطمینان خاطر کوشید تا نظریه ی میدان خود را به صورت مکانیکی هم با توسل به نمونه های اتر مکانیکی توجیه و بیان کند. لیکن این کوششها به تدریج به زمینه ی اصلی که توسط هاینریتش هرتس طرح و عرضه شده بود بازگشت و از هر نوع آرایش غیر لازم مبری و ممنقح گردید، به طوری که در این نظریه سرانجام میدان جنبه  و مقام اصلی خود را پیدا کرد و جای نقاط مادی مکانیک نیوتنی را گرفت. معهذا هنوز نظریه نارسایی هایی داشت و فقط بر میدانهای برقاطیسی در فضای خالی قابل انطباق بود.
نظریه ی میدان به صورتی که عرضه شده بود برای درون ماده کاملا رضایت بخش نبود زیرا در آنجا می بایست دو حامل برقی در کار آیندکه با روابطی مستقل از ماهیت واسط بهم مربوط باشندولی این روابط به هیچ وجه از راه تحلیل نظری به دست نمی آیند. در مورد میدانهای مغناطیسی و همچنین در مورد رابطه ی میان تراکم جریان برقی و میدان نیز وضع مشابه همین بود . برای رفع این اشکال لورنتس راه حلی بدست آورد که در عین حال  راه را برای نظریه ی الکترودینامیک اجسام متحرک نیز هموار و آماده می ساخت و این نظریه بود که که از فرض های اختیاری کمابیش مستقل بود . نظریه ی وی مبتنی بر فرضیه های زیر است: در همه جا قرارگاه میدان فضای خالی است در کار آمدن ماده در نمدهای برقاطیسی تنها معلول این واقعیت است که ذرات سازای ماده حامل بارهای برقی فساد ناپذیری هستند و به همین مناسبت از طرفی تحت تاثیر میدان برقاطیسی بوده و از طرف دیگر مولد میدان می باشد . ذرات سازای ماده تابع قانون حرکتی نیوتنی مربوط به نقاط مادی هستند.لورنتس مکانیک نیوتنی و نظریه ی میدان مکسول را بر این مبنا با هم تلفیق کرد . نارسایی این نظریه در آن است که می خواست نمودها را از ترکیب معادلات دیفرانسیلی جزئی ( معادلات میدان مکسول برای فضای خالی ) و معادلات دیفرانسیلی کلی ( معادلات حرکت نقاط ) تعیین کند حال آنکه چنین روشی نه عملی بود و نه منطقی. نارسایی این طرز تفکر در آنجا خوب آشکار شد که بنا به ضرورت لازم بود ابعاد محدودی برای این ذرات فرض شود تا از گسترش نا محدود میدان برقاطیسی موجود در سطح آن جلوگیری شود . از این گذشته برای شرح و بیان نیرو های عظیمی که بارهای برقی را بر ذرات منفرد نگاه می داشت نیز نارسا بود . لورنتس خود بر ضعف نظریه ی خود واقف بود و می دانست که نظریه از لحاظ بیان صحیح نمودها لاقل به صورت کلی ناقص است. بعلاوه مطلبدیگری هم در کاربرد که از چهارچوب نظریه ی لورنتس تجاوز می کرد، و آن اینکه در مجاورت هر جسمی که دارای بار برقی باشد، یک میدان مغناتیسی وجود دارد که( ظاهرا) به لختی آن، به نوعی، کومک می کند. بنابراین آیا ممکن نبود که لختی کلی ذرات به صورت برقاتیسی، تعبیر وتوضیح شود؟ این امر تنها در صورتی امکان داشت که ذرات بتوانند جوابهای بقاعده ی معادلات دیفرانسیلی برقاتیسی باشند. معادلات مکسول، به صورت اصلی خود ، چنین توضیحی برای ذرات نداشت، زیرا جوابهای متناظر با آنها بی قاعده می شد.
علمای فیزیک نظری مدتها می کوشیدند تا با تغییر معادلات مکسول به هدف خود برسند، ولی متاسفانه این مساعی به نتیجه ی منظور نینجامید و توفیقی حاصل نکرد. گرچه در راه عرضه کردن یک نظریه میدان برقاتیسی محض ماده، اصولا اشکال اساسی و فوق العاده ای متصور نبود، معهذا چنین تصور می شد که رسیدن به این هدف، در آن عصر، غیر ممکن است. حتی فقدان هر گونه روش منطقی که منجر به راه حل مطلوب شود موجب آن گردید که از کوششهای بعدی در این زمینه خودداری به عمل آید. آنچه به نظر من مسلم و محقق است اینکه در طرح هر نظریه ی منطقی میدان، مفهوم ذره نباید علاوه بر مفهوم میدان در کار آید؛ بلکه صورت کلی نظریه باید فقط مبتنی بر معادلات دیفرانسیلی جزئی و جوابهای خالی از خصوصیت و بی قاعدگی باشد.

مفهوم فضا در نظریه ی نسبیت عام
این نظریه اصولا از تتبعاتی که در راه استنباط برابری جرم جبری و جرم گرانشی به عمل می آمد نشئت یافته است . یک دستگاه جبری س1 را در نظر بگیریدکه فضای آن از نظر فیزیکی خالی باشد این دستگاه را به عنوان دستگاه مقایسه انتخاب کرده و فرض می کنیم دستگاه مقایسه دیگری(س2) با شتاب یکنواخت وجود داشته باشد . حال اگر دستگاه (س2) را دستگاه مقایسه تلقی کرده و جرمی را نسبت به آن بسنجیم این جرم نسبت به آن به شتابی حرکت می کند که مستقل از ماهیت فیزیکی و شیمیایی آن خواهد بود. بنابراین نسبت به (س2)یک حالت وجود دارد که نمی توان آن را در بادی امر از میدان گرانشی تمیز داد. از این رو می توان اجمالا چنین اظهار کرد که (س2) نیز هم ارز با یک دستگاه جبری است ولی نسبت به آن یک میدان گرانشی وجود دارد کهما عجالتا به تحقیق در مبدا آن نخواهیم پرداخت . بدین ترتیب هنگامی که میدان گرانشی مورد بحث و نظر باشد با فرض اینکه بتوان این اصل هم ارزی را بسط داد و آن را شامل هر گونه حرکت نسبی دستگاه های مقایسه نمود دستگاه جبری معنای غینی خود را از دست می دهد. اگر بشود نظریه ای عرضه کرد که با مبنا و شالوده ی این افکار اساسی سازگار باشد با واقعیت برابری جرم جبری و گرانشی نیز وفق خواهد داد و این مطلبی است که از راه تجربه هم تایید شده و به ثبوت رسیده است. هر تبدیل غیر خطی چهار مختصاتی اگر از لحاظ چهار بعدی بودن مورد ملاحظه قرار گیرد ، متناظر با انتقال از (س1) به (س2) می شود . حال گوییم چه نوع تبدیلات غیر خطی را باید مجاز دانست؟ و یا اینکه چگونه می توان تبدیلات لورنتسی را تعمیم داد؟برای پاسخ گفتن به این سوالات توجه شما را به ملاحظات زیر معطوف می دارم . ما برای هر دستگاه جبری نظریه ی مکانیک کلاسیک این خاصیت را قائل بودیم که اختلافات مختصات با آلات اندازه گیری (سختپای) ساکن اندازه گرفته می شوند و اختلافات زمانی به وسیله ی ساعتهای ساکن. فرض نخست به وسیله ی فرض دیگری تکمیل شد و آن اینکه در مورد استعمال خط کشهای اندازه گیری ساکن نسبت به یکدیگر و سازگارساختن آنها با هم، قضایای (مربوط به طول ) هندسه ی اقلیدسی صادق است. از نتایج نظریه ی نسبیت خاص معلوم می شود که این تفسیر مستقیم فیزیکی مختصات برای دستگاه مقایسه ای که نسبت به دستگاه جبری (س1)شتابانیده شده باشد ، از میان خواهد رفت. لیکن در چنین موردی مختصات فقط مبین مرتبه یا درجه ی ارتباط و در نتیجه تعداد ابعاد فضا بوده و دیگر هیچگونه خواص متریک آن را بیان نخواهد کرد. بدین ترتیب ما می توانیم تبدیلات را تا هر تبدیل من عندی متصل بسط دهیم. این امر متضمن اصل نسبیت عام است که می گوید قوانین طبیعت باید نسبت به تبدیلات اختیاری مستقل مختصات کوواریان باشند. این ضرورت قوانین طبیعی را به مراتب بیش از آنچه اصل نسبیت خاص تحدید می کرد محدود می نماید.پایه ی این افکار و تصورات اصولا مبتنی بر آن است که مفهوم میدان به صورت یک مفهوم مستقل در نظر گرفته شود . از همین رشته افکار می توان استنباط کرد که از چه رو ارتباط مستقیم قوانین میدان محض با تعبیر نسبیت عام بیشتر از ارتباط آنها با قوانین میدانهایی از نوع کلی تر است . بنابراین معلوم می شود آنجا که دکارت وجود فضای خالی را طرد کرده از واقعیت چندان به دور نبوده است . این تعبیر فی الواقع تا آنجا که حقیقت فیزیکی مخصوصا در مورد اجسام وزن دار موردنظر و ملاحظه است بی معنی به نظر می رسد . درک این مطلب مستلزم آن است که فکر میدان به صورت نمایشی از حقیقت همراه با اصل نسبیت یام برای ثابت کردن هسته ی مرکزی فکر دکارت به کار رود . اری فضای خالی از میدان وجود ندارد. تعمیم نظریه ی گرانش با اتکاء به اصول نریه ی نسبیت عام، به سهولت می توان نظریه ی میدان گرانشی محض را به دست آورد، زیرا مسلم است که فضای مستقل از میدان مینکووسکی با متر یک خود، که با فرمول (1) سازگار است، باید با قوانین کلی میدان وفق دهد. اگر این مورد خاص را طوری تعمیم دهیم که عملا مستقل از من عندیت باشد، قانون گرانش به دست خواهد آمد. نظریه ی نسبیت عام، نخست، نتوانست نظریه یمیدان را به صورتی که خالی از ابهام باشد بسط دهد لاجرم، در چند سال اخیر، کوششهای فراوانی در این راه معمول گردید. هدف اصلی این پژوهشها و تحقیقات آن است که واقعیتهای فیزیکی از طریق میدان قابل درک و استنباط شود. بعلاوهاین میدان باید تعمیمی از میدان گرانشی باشد، و قانون میدان آن هم تعمیمی از قانون میدان گرانشی محض. من، پس از تحقیقات و مطالعات طولانی، اکنون معتقدم که طبیعی ترین صورت این تعمیم را یافته ام، ولی هنوز اطمینان ندارم که آیا این قانون تعمیم یافته می تواند واقعیتهای تجربی را هم تایید کند یا نه . مسئله ی قانون میدان خاص، نسبت به ملاحظات سابق الذکر، جنبه ی ثانوی دارد. عجالتا مسئله ی عمده این است که آیا یک نظریه ی میدان، از نوعی که ملاحظه شد، اصولا می تواند به هدف برسد یا نه؟ منظور یک نظریه ای است که بتواند حقیقت فیزیکی، و از جمله فضای چهاربعدی را، بطور جامع، به وسیله ی میدان توصیف کند. دانشمندان فیزیک عصر ما بیشتر بر آنند که به این سوال پاسخی منفی بدهند. اینان، بروفق صورت کنونی نظریه ی کوانتوم عقیده مندند که وضع یک دستگاه مختصات را نمی توان مستقیما مشخص ساخت، بلکه باید، بطور غیر مستقیم، از راه نتایج آماری اندازه گیریهایی که در آن دستگاه به دست می آید وارد شد. اکثر دانشمندان بر آنند که ثنویتی(ساختمان ذره ای و موجی) که از راه تجربه هم به ثبوت رسیده، تنها با چنین تضعیفی از مفهوم حقیقت، می تواند صورت تحقق پیدا کند. من تصور می کنم که چنین انکار نظری پردامنه، در زمان حاضر، از راه معرفت ما قابل اثبات نیست، و باید راه خود را در نظریه ی میدان نسبیتی تا انتها بپیماییم.

منبع: کتاب مقالات علمی آلبرت اینشتین .ترجمه محمود مصاحب
فرستاده شده توسط: خانم زهرا خانمحمد