آیا فیزیک می تواند آینده را پیش بینی کند؟
من و شما هر کدام در طول روز به طور مداوم در مورد آینده پیش بینی می کنیم. همانطور که به سمت محل کار رانندگی می کنیم، پیش بینی می کنیم که مسیری که طی می کنیم بسیار شبیه به دیروز خواهد بود. برای مطالعه کامل مقاله با مجله علمی آندرومدامگ همراه باشید.
وقتی یک ورزش را تمرین می کنیم، شروع به یادگیری می کنیم که چقدر باید به توپ ضربه بزنیم تا به جایی که می خواهیم برسد. و به زودی نیروهای گرانش، اصطکاک و عضله خودمان را درک می کنیم که برای زدن گل یا جلوگیری از حرکت خط کافی است. هر یک از ما دائماً در حال پیش بینی آینده هستیم. و گاهی حق با ماست
بنابراین اگر فیزیک علمی است که قرار است دنیایی را که ما در آن زندگی می کنیم تجزیه کند – جدا کردن کوچکترین ذرات آن، کشف مکانیسم های پنهان آن، و کار کردن معادلاتی که آن را توصیف می کند – پس آیا فیزیک نباید بتواند آینده را پیش بینی کند؟
این یک سوال یا یک فرضیه است که بسیاری از مردم در مورد فیزیک دارند. و همین الان به شما می گویم که اشتباه است.
فیزیک تا حدی می تواند به ما بگوید که از جهان چه انتظاری داشته باشیم. درست مثل من و شما می‌توانیم حدس بزنیم که چون مسیر ما به سمت محل کار یا مدرسه در گذشته تقریباً هر روز یکسان بوده است، هر چند روزها، هفته‌ها و سال‌ها باشد، فردا نیز تقریباً همینطور خواهد بود. همانطور که می توانیم ورزش را یاد بگیریم و شروع به کنترل نتیجه بازی کنیم. اما هدف فیزیک به سادگی پیش بینی آینده نیست.
هدف فیزیک این است که جهان را همانطور که اکنون هست درک کنیم. اینجا در زمان حال فیزیکدانان می خواهند بدانند چرا همه چیز اینگونه است که هست، چرا جهان به این شکل عمل می کند. با استفاده از این دانش، اغلب ممکن است بیشتر از آنچه در ابتدا می دانستید، در مورد دنیای اطراف خود بیاموزید. ما نمی‌توانیم سیاه‌چاله‌ها را ببینیم، اما با یادگیری در مورد دنیای اطرافمان و ایجاد معادلاتی برای توصیف آن، می‌توانیم راه‌های دیگری برای جستجوی سیاه‌چاله‌ها پیدا کنیم. ما می دانیم که ماده در اطراف یک سیاهچاله رفتار خاصی خواهد داشت، بنابراین ما به دنبال آن رفتار هستیم و آها! یک سیاهچاله این نوع کشف مستلزم آن است که قوانین و معادلاتی را که جهان را توصیف می کنند، کشف کنیم. که باعث می شود آن را اجرا کند. برخی از دانشمندان حتی در جستجوی یک معادله واحد هستند، یک “نظریه همه چیز”، که از آن می توان تمام معادلات دیگر را استخراج کرد. آیا چنین معادله ای می تواند آینده را پیش بینی کند؟
خیر
K.C. کول، نویسنده علمی فوق‌العاده برای LA Times و نویسنده کتاب جدید باورنکردنی در مورد زندگی فرانک اوپنهایمر، پست کوتاهی در NPR Blog 13.7: Cosmos and Culture درباره مفهوم “نظریه همه چیز” نوشت. او به این نکته اشاره می‌کند که اگرچه دانشمندان ممکن است معادله واحدی را بیابند که تمام معادلات دیگر و محدودیت‌های حاکم بر جهان را بتوان از آن استخراج کرد، اما باز هم به ما اجازه نمی‌دهد آینده را پیش‌بینی کنیم. این هرگز قصد کشف قوانین فیزیکی نبود.
اگر یک فالگیر به شما بگوید که فردا به سر کار می روید و جاده ای که در آن رانندگی کرده اید به همان سمتی که همیشه بوده خم می شود، ساختمانی که در آن کار می کنید در همان مکان قرار می گیرد و خورشید طلوع می کند و تقریباً در همان زمان دیروز تنظیم شد – خوب، شما از آن فالگیر بسیار ناامید خواهید شد. حتی اگر حق با او باشد.
شما می خواهید در مورد چیزی بسیار پیچیده تر و کمتر قابل پیش بینی بدانید. فرض کنید در راه رفتن به محل کار یا مدرسه تصمیم گرفتید مقصد خود را فراموش کنید و به خودتان اجازه دادید که توسط محرک‌های دنیایتان تحت فشار قرار بگیرید و بکشید. عبور از یک خیابان به این دلیل که فرد کناری شما این کار را انجام داده است. یک لحظه مکث کنید چون بوی خوبی به مشامتان رسیده است – خوب، آن وقت همان فالگیر احتمالاً چیزی را که واقعاً اتفاق افتاده به شما نمی گوید. حتی شما ممکن است نتوانید پیش بینی کنید که در نهایت به کجا خواهید رسید. احتمالات بر هر دوی شما غلبه خواهند کرد. و به همین ترتیب احتمالات بر توانایی فیزیک برای پیش بینی اتفاقات بعدی غلبه می کنند.
یکی از سه قانون اسحاق نیوتن بیان می کند که جسم در حال حرکت تمایل دارد در حرکت بماند مگر اینکه نیرویی به آن وارد شود. خیلی مستقیم به نظر می رسد. سناریوی فوق را در نظر بگیرید که در آن تصمیم می‌گیرید نیروی اراده را که هر روز شما را به سمت محل کار یا مدرسه سوق می‌دهد، رها کنید. آیا می توانید پیش بینی کنید که به کجا خواهید رفت؟ می توانید کاملاً مطمئن باشید که شروع به شناور شدن به سمت بالا و فرود آمدن در بالای ساختمان امپایر استیت نخواهید کرد (اما ممکن است آنجا با آسانسور بروید). شما از قوانین فیزیک اطاعت خواهید کرد، و با این حال، راه‌های متعددی که آن قوانین بر شما عمل می‌کنند، توانایی شما را برای پیش‌بینی سرنوشت شما تحت تأثیر قرار می‌دهد.
اکنون، به عنوان یک انسان، کنترل بیشتری بر جایی که می روید دارید، بنابراین کول از مثال قطره آب در یک آبشار استفاده می کند. وقتی آن قطره آب به قله سقوط می رسد، اگر می توانستیم مکث کنیم و سعی کنیم مسیر آن و جایی که فرود می آید را پیش بینی کنیم، کاملاً غرق می شدیم. ما باید حرکت هر قطره دیگر در رودخانه، نیروی گرانش و باد، نیروی سنگ های زیر را با هم ترکیب کنیم. معادلات بزرگ می‌شوند تا حجم‌ها را پر کنند، یک ابر رایانه را باتلاق می‌کنند و ما گم می‌شویم. ما می توانیم فرض کنیم که قطره آب از قوانین فیزیک تبعیت می کند – اما این قوانین به طرق مختلف بر روی آن قطره آب عمل می کنند که ما تمام امید خود را برای فهمیدن اینکه آن قطره قبل از اینکه به آنجا ختم می شود را از دست بدهیم.
سیستم هایی مانند این برای پیش بینی بسیار پیچیده هستند. و متأسفانه، تقریباً همه چیزهایی که واقعاً می‌خواهیم درباره آینده بدانیم، پیچیده‌تر از پیش‌بینی این است که سفر شما به محل کار چگونه خواهد بود. حتی در آن زمان، شما هرگز نمی دانید چه اتفاقی خواهد افتاد. با چه کسی برخورد خواهید کرد؟ هنگام راه رفتن چه صداهایی را خواهید شنید؟ وقتی چیزی زیبا یا زشت می بینید چه احساسی ممکن است شما را فرا گیرد؟ آیا با شخصی که قرار است با او ازدواج کنید برخورد خواهید کرد؟ ما نمی توانیم با اطمینان بگوییم تا زمانی که این اتفاق افتاده باشد. و هدف فیزیک این است که وضعیت فعلی را به بهترین شکل توصیف کند. جهان در حال حاضر چگونه است؟ چرا کارها به همان شکلی که انجام می دهند رفتار می کنند؟ اینها سوالاتی هستند که فیزیک امیدوار است به آنها پاسخ دهد.
این بدان معنا نیست که اصلاً نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم که اوضاع چگونه پیش می‌رود، یا اینکه نمی‌توانیم از آن پیش‌بینی‌ها به نفع خود استفاده کنیم. ما نمی‌توانیم مسیر یک الکترون را برای مدت طولانی پیش‌بینی کنیم، اما همچنان می‌توانیم از الکتریسیته استفاده کنیم. ما هنوز هم می‌توانیم روی کارکرد رایانه‌هایمان حساب کنیم (بیشتر اوقات). و با پیشرفت علم، می‌توانیم تصور واضح‌تر و واضح‌تری از آنچه اتفاق می‌افتد به دست آوریم، وقتی این چیزها به روشی که انجام می‌دهند کار کنند. در اصل، قوانین و مقررات اساسی برای جهان وجود دارد – مانند نیروی گرانش – که به ما کمک می کند تا نحوه ی چیزها را درک کنیم. به این معنا که جاذبه به ما کمک می‌کند تا بفهمیم چرا از آن دور نمی‌شویم. اما آنها نمی توانند آینده را پیش بینی کنند.
“اما صبر کن!” تو فریاد می کشی (می دانستم که این کار را می کنی) آیا چیزهایی مانند قانون مور نمونه ای از دانشمندانی نیستند که آینده را پیش بینی می کنند؟ قانون مور نشان می دهد که هر دو سال یکبار سرعت پردازنده کامپیوتر دو برابر می شود. بنابراین پیش بینی می کند که در چهار سال، سرعت پردازنده چهار برابر سریع تر خواهد بود، نه؟ آیا این پیش بینی آینده نیست؟ خوب، بله و نه. شاید اکنون به نقطه ای می رسیم که باید منظور خود را از پیش بینی آینده تعریف کنیم.
آیا پیش‌بینی آینده چیزی است که نمی‌توان با نگاه کردن به علت و معلول آن را تعیین کرد؟ فال‌گیران قول می‌دهند مواردی مانند تاریخ ازدواج، تعداد فرزندان یا میزان درآمدتان را فاش کنند. البته، برای مشخص کردن این موارد، آنها باید همه چیز را از تاریخچه ژنتیکی شما تا آب و هوای سی سال آینده بدانند. مثلاً اگر معتقد بودید که در عوض به یک فالگیر این اطلاعات بدون نیاز به دانستن همه آن چیزها داده شده است. که او نوعی خط تلفن در آینده دارد، خوب، پس، نمی‌توانم بگویم که می‌دانم در مورد آن چه بگویم. بنابراین بیایید بگوییم که “پیش بینی آینده” به معنای استفاده از علت و معلول برای تعیین نتیجه چیزی است.
بنابراین با قانون مور، دانشمندان به نوعی آینده را پیش بینی می کنند. قانون مور به ما نمی گوید که چه کسی اول با پردازنده سریعتر وارد بازار می شود، یا روزی که آن را اعلام می کند برای صبحانه چه می خورند. و اگر همه مهندسان جهان دست از کار بکشند، قانون مور شکست خواهد خورد. این قانونی نیست که در سنگ بنا شده باشد. در عوض، بیشتر شبیه پیش‌بینی این است که با فرض پرداخت صورت‌حساب و سیم‌کشی خوب، چراغ‌های خانه روشن می‌شوند. محتمل است، اما در سنگ قرار نگرفته است. اگرچه ما نمی‌توانیم هر علت و معلولی را در جهان کنترل کنیم، اما می‌توانیم از آنچه در مورد نحوه عملکرد جهان می‌دانیم برای پیش‌بینی معقولانه‌ای که آن علل منجر به انجام آنها می‌شوند، استفاده کنیم. فردا یا ده سال بعد اوضاع چگونه خواهد بود. واضح است که اگر علت و معلول را آنقدر خوب درک نکنیم که بتوانیم تصور خوبی از تعداد چیزها داشته باشیم، نمی‌توانیم کار زیادی با زندگی خود انجام دهیم. ما پیش‌بینی می‌کنیم که ساختمان‌های بزرگ به‌طور خودبه‌خود جای خود را تغییر نخواهند داد (اگرچه می‌توانید یک استدلال کوانتومی درج کنید که غیرممکن نیست)، ما پیش‌بینی می‌کنیم که ماشین‌هایی که می‌سازیم مانند دیروز کار کنند، و پیش‌بینی می‌کنیم که خورشید طلوع خواهد کرد. و به دلیل علم، می دانیم که چرا به نظر می رسد خورشید طلوع می کند. ما به اندازه کافی در مورد وضعیت فعلی جهان می دانیم تا بتوانیم با موقعیت هایی که نمی توانیم پیش بینی کنیم مقابله کنیم.
اکنون من حتی به اثرات کوانتومی اشاره نمی کنم – زیرا یک بار دیگر، این یک بحث کیفی در مورد هدف فیزیک است، به جای بحث در مورد جزئیات ریزدانه ای که ما را از تخمین آنچه در آینده رخ می دهد باز می دارد.
بنابراین فقط به این دلیل که نمی توانیم آینده را پیش بینی کنیم به این معنی نیست که نمی دانیم چه اتفاقی خواهد افتاد. آنچه مهم‌تر است این است که هدف فیزیک پیش‌بینی آینده نیست، بلکه توصیف سیستمی است که اکنون در آن زندگی می‌کنیم.
با این حال، امروز مقاله جالبی در Wired در مورد کار شان گورلی، فیزیکدان مقیم نیوزلند وجود داشت، که در TED سخنرانی کرد و در مورد چگونگی کار او و گروهی که با آنها کار می کرد، فکر می کردند که مدلی برای پیش بینی ارائه می کنند. شورش ها در جنگ واکنش فوری من به این موضوع این است که متغیرهای بسیار زیادی وجود دارد که مهم ترین آنها تصمیم گیری انسانی است که تعیین می کند در یک جنگ چه اتفاقی می افتد. تصور اینکه بتوانیم معادله ای برای مدل سازی این رویدادها ایجاد کنیم، به نظر می رسد یک وضعیت فوق العاده پیچیده را ساده می کند. این مانند یک معادله است که مسیر یک قطره آب را به پایین سقوط آب نشان می دهد. اما گورلی و تیمش فکر کردند که آن را پیدا کرده‌اند و ماه گذشته مقاله‌ای روی جلد مجله Nature داشتند به نام «اکولوژی رایج شورش انسانی را کمیت می‌کند». Nature برترین مجله علمی در جهان است، بنابراین تأیید این تحقیق از آن حمایت زیادی می کند.
کیتی دراموند، مشارکت‌کننده Wired، مشکلات عمده‌ای در این زمینه دارد. یعنی مدلی که گورلی و تیمش استفاده کردند بر اساس اطلاعاتی بود که از رسانه ها به دست آمد. بنابراین نقشه شورش‌های آنها فقط شامل مواردی است که گزارش شده‌اند، و فقط آنهایی که شامل تلفات می‌شوند. متأسفانه، کاملاً شناخته شده است که پوشش رسانه ای شورش ها همیشه دقیق نیست. تا حدودی به این دلیل است که رسانه ها می توانند کل جنگ را پوشش دهند و ارتش چقدر مایل به اشتراک گذاری است. این تنها بخشی از اعتراض دراموند است و من شما را تشویق می کنم که قطعه او را بخوانید.
این مقاله به طور جدی این سوال را زیر سوال می برد که آیا مدل گورلی ارزشی دارد یا خیر. اما مخالفت‌ها عمدتاً به روش‌های او است: آنچه او برای داده‌های ورودی برای ساختن مدل استفاده می‌کند و فرضیاتی که در مورد آنچه شورش را تعریف می‌کند (آیا فقط در صورتی که نیروهای شورشی آن را شروع کنند، در مقابل ضد شورش‌ها، اهمیت دارد؟). آیا با داده های دقیق تر و بحث با پرسنل ارتش برای تعیین پارامترها، آیا می توانیم مدلی برای پیش بینی الگوهای جنگ ایجاد کنیم؟ من مطمئن هستم که تلاش شده است و بخشی از استراتژی نظامی است، اما چه کسی می‌داند هنگام تلاش برای ایجاد یک معادله جهانی برای توصیف همه این درگیری‌ها، با چند عامل پیچیده مواجه خواهید شد.
این بدان معنا نیست که مطالعاتی در مورد سیستم‌هایی که به رفتار انسان بستگی دارد، انجام نشده است: مواردی مانند الگوهای ترافیکی و بهترین راه برای سوار شدن به هواپیما اغلب مطرح می‌شوند. اگرچه، قطعاً می‌توان آنها را به‌عنوان سیستم‌های بسیار ساده‌تر، با تعاریف دقیق‌تر و داده‌های قابل ردیابی در نظر گرفت. مطمئناً فوق‌العاده خواهد بود اگر بتوانیم از فیزیک برای یادگیری چیزی در مورد جنگ‌ها با هدف نهایی پایان دادن به آنها سریعتر و با تلفات کمتر استفاده کنیم.