مکانیک کلاسیک کوانتمی!

من برنامه‌ای در ذهن داشتم (دارم) برای این که کوانتم را بفهمم: درون فضای هیلبرت (که جهان مکانیک کوانتمی است) مکانیک کلاسیک را پیاده کنم تا بعد ببینم چه اتفاقی می‌افتد که از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتم می‌رسیم. به عبارتی فرق دقیق مکانیک کلاسیک و کوانتم چیست؟ امید داشتم که اگر بتوانم مکانیک کلاسک را به زبان فضای هیلبرت بنویسم، بتوانم پیدا کنم که چه مکانیزمی باعث ترکیب تکانه و مکان شده و اثرات کوانتمی را ایجاد می‌کند.

 امروز در دانشگاه (در انتظار آمدن مسئول آموزش!) کمی به این موضوع جدی‌تر فکر کردم، راستش فکر کنم نشدنی است، قصه اینجاست که در مکانیک کلاسیک، حالت ذره در فضای فاز با مقدار مکان و تکانه اش داده می‌شود و این دو از هم مستقل هستند، اما در مکانیک کوانتمی حالت ذره فقط با تابع موج داده می‌شود و دانستن توزیع مکان ذره برای دانستن توزیع تکانه ذره کافی است، به عبارتی مکان و تکانه کمیت مستقل از هم نیستند و روی هم تصویر دارند (تنها با پایه مکان می‌توان تمام فضای هیلبرت را پوشاند) بنا بر این فضای هیلبرتی که مکانیک کلاسیک لازم دارد بزرگتر از فضای هیلبرتی است که مکانیک کوانتمی نیاز دارد. بنا بر این ترجمه مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتمی تقریبا ممکن نیست مگر این که فضای هیلبرت بزرگتری در نظر بگیریم که در گذر به مکانیک کوانتمی باید قسمتی از این فضای هیلبرت را دور بریزیم یا فرض کنیم از گذر از کلاسیک به کوانتم فضای هیلبرت عوض می شود که خُب، فرض عجیبی است.

از طرفی حین بحث با بچه‌ها در اتاق داشتم فکر می‌کردم این اصرار ما بر این که ذره واقعا تکانه و مکان دارد تنها دلیل این است که ما عدم قطعیت کوانتم را نمی‌فهمیم، اگر نگاه نظریه میدان داشته باشیم هم گسسته بودن طیف انرژی میدان به دست می‌آید (که به یک معنی ذره است) هم اندازه گیری مکان ذره ترجمه می‌شود به محدود کردن میدان در یک فضای مشخص، که این محدود کردن باعث گسترده شدن تبدیل فوریه می‌شود که به مولد انتقال (یعنی تکانه) مربوط است و بنا بر این چیزی مثل عدم قطعیت هیچ چیز عجیبی نیست. اما دو چیز عجیب هنوز باقی می‌ماند: یکی در هم تندیگی است که مربوط به فضای هیلبرت است و ارتباطی با فیزیک درون فضای هیلبرت ندارد، دومی که به اولی هم مربوط است رمبش تابع موج است که هر دو در نظریه میدان کوانتمی هم حضور دارند. گذشته از این نظریه میدان کوانتمی ریاضیات مریضی دارد و بحث عدم قطعیت هنوز در مورد مقدار میدان و سرعت میدان برقرار است و معنی میدان کوانتمی دقیقا مشخص نیست.

نمی دانم!

فلسفه براوئر

 

تا به حال برهان خُلف توی ذوق شما زده است؟ شاید زده باشد  شاید هم نه اما برای من بعضی اوقات واقعا برهان روی اعصابی است: از تناقضی برای فرض نقیض حکم، حکم را نتیجه می‌گیرید! همین کافی بود تا با شنیدن این که در ریاضیات شهودگرا برهان خلف مورد پذیرش نیست، در مورد ریاضیات شهودگرا کنج‌کاو بشوم. چیزی که قبلا شنیده بودم این بود که ریاضیات شهودگرا با تاکید بر برهان‌های ساختی (به جای برهان‌های غیر ساختی مثل برهان خلف) یا تاکید بر اصول ساختی (به جای اصول غیر ساختی مثل اصل انتخاب یا اصل کمال اعداد حقیقی) سعی در بنای ریاضیاتی نو دارد. از این گذشته توصیف شهودگرایی از پیوستار تا حد زیادی از توصیف کلاسیک که پیوستار را مجموعه‌ای از نقاط مجزا می‌بیند متفاوت است و تمام این‌ها شاید برای من هیجان انگیز و ترغیب کننده بود که ریاضیات شهودگرایی را ببینم (من قبلا با پیوستار هم مشکل داشتم، هنوز هم دارم، تابع دلتای دیراک این وسط از همه بیشتر روی اعصاب است). همه این‌ها انگیزه شد تا کتاب «فلسفه براوئر» را به عنوان شروعی از شهودگرایی بخوانم (براوئر مبدع و آغازگر شهودگرایی بود).

نتیجه خواندن کتاب اما واقعا زده شدن بود از شهودگرایی!! ظاهرا انگیزه تاکید بر ساختی بودن در ریاضیاتِ شهودگرایی حصول اطمینان از عدم تناقض نیست (چنان که در اوایل قرن بیستم دغدغه ریاضی‌دانان بود) بلکه (دست کم به ادعای براوئر) انگیزه‌های کاملا فلسفی در کار است. تا جایی که من فهمیدم براوئر تکیه فراوانی بر ایده‌آلیسم آلمانی دارد به خصوص نوعی که آن زمان رایج‌تر بود: پدیدارشناسی هورسلی (گرچه شاید خود براوئر به قسمت‌های فراوانی از پدیدارشناسی بدون کمک هورسل رسیده بود). گاهی همین انگیزه‌های فلسفی نوعی تبلیغ برای شهودگرایی محسوب می‌شود، این جمله فراوان تکرار می‌شود که «شهودگرایی فلسفی‌ترین مکتب ریاضی است» اما به نظر من نقطه ضعف شهودگرایی دقیقا همین است! ظاهرا براوئر هیچ تلاشی برای توجیه ریاضیات پیش از خود ندارد بلکه مراد خودش از «ریاضی» آن چیزی است که خودش توصیف می‌کند * و این دقیقا همان جایی است که مشکل من با براوئر آغاز می‌شود.

از نظر منِ فیزیکی، ریاضیات در واقع همان کار فیزیک‌دانان است اما در سطحی انتزاعی‌تر، من نمی‌خواهم ریاضی را به فیزیک و یا فیزیک را به ریاضی فرو بکاهم یا بگوییم یکی مهمتر از دیگری است (این بازی کل کل بماند برای جوان‌تر‌ها)، صرفا می‌خواهم به این نکته اشاره کنم که اگر فیزیک را شناخت جهان بدانیم، ریاضی هم شناخت جهان اما به شکلی انتزاعی‌تر است، اگر ریاضی را بازی زبانی غیر واقعی بدانیم، فیزیک هم یک بازی زبانی غیرواقعی است اما با جنبه کاربردی تر، به نظر من هیچ تفاوت قاطع و خط مشخصی بین ریاضی و فیزیک وجود ندارد و اساسا هر دو دارند یک کار را می‌کنند ( چه این کار شناخت جهان باشد یا بازی زبانی فرقی ندارد!) اما در سطوح متفاوتی از انتزاع (این ایده‌ها را تا حدی مدیون کواین هستم). و کاری که این «فلسفی‌ترین مکتب ریاضیات» می‌کند، کشاندن ریاضی به داخل ذهن و قطع کامل ارتباط بین ریاضی و فیزیک است (مگر این که فیزیک را هم به داخل ذهن بکشیم یا مکتب فیزیک شهودگرایی درست کنیم).

این عدم تمایز قاطع بین ریاضی و فیزیک من را به سمت انتقاد دیگری از شهودگرایی می‌کشاند. من احساس همدلی فراوانی با فایرابند دارم و نهایتا پذیرفته‌ام که فعالیت علمی (به طور خاص فیزیک) نباید محدود به هیچ قیدی باشد، جامعه علمی تعیین می‌کند که کدام روش و کجا مطلوب است و کدام روش مطلوب نیست چه این روش اثبات یک تئوری فیزیکی باشد چه روش مربوط به اندازه گیری مقاومت ماده، هیچ قانون و قید جهانی و همیشگی وجود ندارد  و از همین رو قوانین کلی مثل «فیزیک‌دان باید ابطالگرا باشد» یا «فیزیک باید به روش پوزیتویسم عمل کند»** را نمی‌پذیرم و صرفا نسخه پردازی‌هایی آرمان‌گرایانه می‌دانم که در عمل نه تنها به درد نخور هستند که حتی دست و پا گیراند . نهایتا اگر تمایز قاطعی بین فیزیک و ریاضی قائل نباشم باید بپذیرم که ریاضیات هم باید از چنین قیود محکمی آزاد باشد اما براوئر دقیقا بر سبیل فیلسوفان علم اوایل قرن بیستم برای ریاضی نسخه می‌پیچید: ریاضی باید چنین و چنان باشد! و من از طریق مخالفتم با ابطالگراها یا پوزیتویست‌ها (که به دنبال روشی برای علم بودند) ناچارم با براوئر هم مخالفت کنم و بگویم: «برای ریاضی نسخه نپیچ!» من هیچ قیدی را برای ریاضی قبول ندارم و هیچ قانون کلی را برای آن مجاز نمی‌دانم، هر روشی در هر جایی به دستتان رسید که به نظر مفید بود، مفید است! مگر این که ملت قبول نکنند.

ادعاهایی مثل «ریاضیات بی زبان است» هم مزید بر علت شده تا به کل شهودگرایی بدبین باشدم چون من اساسا ریاضیات را زبانی خاص می‌دانم. به نظرم این ادعا تمام تاریخ ریاضیات را نادیده می‌گیرید. با این همه باید اعتراف کنم این مبادی فلسفی را درست نفهمیدم. نه این کتاب آن قدر واضح توضیح داده بود (کلا با کتاب ارتباط برقرار نکردم) و نه هر بار که تلاش کردم راجع به هورسل و پدیدارشناسی بخوانم، چیز دندانگیری نصیبم شده بود. شاید از همین ندانستن است که با شهودگرایی هم ارتباط برقرار نکردم.

با تمام این انتقادهایم هنوز ایده برهان ساختی برایم جذاب است نه به خاطر این که احساس می‌کنم ریاضی در هر حال باید چنین باشد، بلکه به این خاطر که احساس می‌کنم برخی از مشکلات فیزیک که الان با آن دست به گریبانیم ممکن است از رهگذر چنین روشهایی حل و فصل شود و به همین خاطر هنوز نسبت به روش هاش شهودگرایی دید مثبتی دارم و امیدوارم متن آموزشی درست و حسابی از شهودگرایی به دستم برسد.

 

*همین باعث می‌شود قضایایی از ریاضیات کلاسیک را نپذیرد و در مقابل قضایای دیگری را اثبات کند که در ریاضیات کلاسیک برقرار نیست.

** اتفاقا هر دوی این نسخه‌ها مبادی فلسفی دارند، به این معنی اگر با تکیه بر چنین تزهایی «فیزیکیات ابطالگرا» را همچین چیزی بسازیم و بگوییم «این فلسفی‌ترین مکتب فیزیکی است»، نتایج مزخرفی به دست می‌آید. تمام قدرت فیزیک در این است که خودش را به چنین قیودی محدود نمی‌کند.

پ.ن: با اتمام این کتاب، گشت و گذارم در موضوع فلسفه ریاضی فعلا تقریبا تمام شد. حالا می‌توانم با خیال راحت «فلسفه تحلیلی چیست» را بخونم که چند هفته پیش شروع کرده بودم، امروز چند صفحه اش را ورق زدم و فوق‌العاده جذاب و هیجان‌انگیز بود.

از فلسفه ریاضی تا جامعه شناسی اثبات ریاضی

 

این هفته‌های اخیر که بالاخره از شر* موضوع منطق ریاضی خلاص شدم چند کتاب فوق‌العاده خواندم و مغزم رفت به سمت موضوع فلسفه ریاضی. بعد از نا تمامیت، فلسفه ریاضی استیفن بارکر را خواندم، اطلاعات تاریخی بسیار جالبی داشت و تفکیک خوبی بین مکاتب مختلف در فلسفه ریاضی انجام داده بود (خیلی بهتر از گولدستین) گرچه چون چاپ 1349 بود و این اختلاف زمانی 50 ساله خواندن کتاب را به دلیل انتخاب خاص کلمات مشکل می کرد اما در مجموع جذاب بود. ولی نه به جذابی جامعه‌شناسی اثبات ریاضی! در کتاب دوم که غلام‌حسین مقدم حیدری نوشته (تنها کتابی از حیدری که نخوانده بودم ) او با مهارت، ایده فلسفه علم کوهن را به درون ریاضیات می‌برد. محوری‌ترین این ایده‌ها تاثیرات جامعه‌شناسی بر ریاضی است.

این که اقتضائات جامعه‌شناختی بر دانش زمان (حتی ریاضی و منطق) تاثیرگذار باشند برای من عجیب نیست (آنقدر با فلسفه علم کوهن و بازی‌های زبانی ویتگنشتاین خو گرفته‌ام که این ایده را به راحتی بپذیرم) اما چیزی که برایم بسیار جذاب بود تفاوت ریاضیات تحلیلی و ترکیبی بود. همیشه از دبیرستان به بعد برایم سوال بود که چرا هندسه اقلیدسی دبیرستان این قدر با بقیه ریاضیاتی که تا الان خوانده‌ام متفاوت است؟ و چرا اصلا امروز پیگیری نمی‌شود؟ این کتاب شرح همین تفاوت است، که چرا و از کجا شروع شده است. اما هیجان‌انگیزتر از آن فهم این نکته بود که چرا نام کتاب‌های مکانیک ما «مکانیک تحلیلی» است و چرا حساب دیفرانسیل و انتگرال همیشه با «هندسه تحلیلی» مطرح می‌شود. در واقع هر دوی این چراها پاسخی یکسان دارد: استفاده از روش‌های تحلیلی، روش‌های مبتنی بر ارجاع به دستگاه مختصات، نوشتن فرمول، حل معادلات جبری و در یک کلام، تحلیل (یا حل کردن و تجزیه کردن) هندسه و مکانیک به مجموعه  نقاط فضا-زمان. این روش کمتر مبتنی بر شهود و نبوغ و بیشتر مکانیکی است (مکانیکی به معنای الگوریتمی که در چند گام شما را به جواب می‌رساند بدون این که نیاز به استفاده فراوانی از نبوغ داشته باشد) اما روش‌های ترکیبی کاملا برعکس هستند، شما باید نبوغ فراوانی به خرج دهید تا با روش ترکیبی (ترکیب قضایا و تعاریف) نکته‌ای یا قضیه‌ای جدید را اثبات کنید.

روشهای ترکیبی نوعا زیباتر هم هستند برعکس روشهای تحلیلی که مکانیکی‌‌اند آنچنان زیبا نیستند اما در مقابل کاربردشان آسان‌تر است. اما تفاوت این دو در آن زمان صرفا به تفاوت «زیبایی» و «کاربرد» محصور نمی‌شد. تفاوت عمیقی در نگاه متافیزیکی به هردوی این روش‌ها وجود داشت: هندسه ترکیبی یا «هندسه محض» (همان هندسه اقلیدسی با روش اصول موضوعه‌ای) نه فقط روشی برای توصیف جهان بلکه حقیقتی جهانی و مقدس بود و حتی وجه‌های الاهی و مذهبی داشت (کما این که افلاطون استدلال‌های مذهبی بسیاری تنها با اتکا به حقیقت دانش ما از هندسه انجام می‌داد) بنا بر این فیزیک‌دانان و منجمان که راجع به حقیقت جهان بحث می‌کردند باید از روش‌های ترکیبی استفاده کنند نه تحلیلی** در مقابل روش‌های تحلیلی کاملا کاربردی و خاکی جلوه می‌کنند. این تفاوت حتی در اعتقادات طرفداران هر دو روش هم بازتاب دارد: طرفداران روش‌های تحلیلی معمولا انقلابیونی تند و تیز هستند که میانه خوبی با مذهب ندارند (لاپلاس در این مورد یک نمونه اعلی است، ریاضی‌دانی که حتی خدا را باور ندارد چه برسد به مذهب) از سوی دیگر طرفداران روش‌های ترکیبی معمولا محافظه‌کاران سنتی هستند که نوعا معتقد به مذهب‌اند (حتی خود نیوتون آدمی عمیقا مذهبی بود).

نهایتا با توسعه روزافزون روش‌های تحلیلی، کاربرد آسان، تناسب با اعتقادات غیر دینی و ... این ریاضیات تحلیلی بود که پیروز شد. هر چند در این مرحله دلیل پیروزی ریاضیات تحلیلی برای من جالب نیست اما به عنوان کسی که هر روز با این ریاضیات کار می‌کنیم بسیار هیجان‌انگیز و مفید بود که بدانم این ریاضیات تنها نوع قابل فهم ریاضیات نیست و مفهوم ریاضی در طول زمان تغییر فراوانی کرده، این ریاضیات صورتگرای امروز محصولی نسبتا جدید (کمتر از 500 سال) است.

*شر که نبود واقعا دوست داشتم، اما خُب از یک حدی بیشتر فنی باشد واقعا آدم را اذیت می‌کند، خصوصا در طولانی مدت.

**من کتاب «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» نیوتون را در قفسه دارم و ورق زده ام، همیشه برایم سوال بود که چرا با وجود این که نیوتون کاملا به روش‌های تحلیلی آشناست و حتی حساب دیفرانسیل و انتگرال که ابداع کرده کاملا درون پارادایم روشهای تحلیلی قرار دارد، خودش در کتاب مکانیک خودش از روش‌های کاملا ترکیبی استفاده می‌کند و هیچ معادله‌ی دیفرانسیلی در دستگاه دکارتی حل نمی کند؟ چرا برای رسم یک مماس بر بیضی از روش قضایای پیچیده هندسه اقلیدسی برای مقاطع مخروطی استفاده می‌کند؟ جواب این چراها همین نکته است: از دید نیوتون طبیعتِ مقدس از واقعیت هندسه محض و ترکیبیِ مقدس پیروی می‌کند نه از روشهای خاکی تحلیلی. جواب به این سوال به این نحوه غیر منتظره برایم کاملا هیجان‌انگیز بود.

پ.ن تحلیلی: روشهای تحلیلی روشهای معمول فیزیک امروز هستند، خوب که فکر می‌کنم یادم می‌آید ما همیشه در حل مسائل فیزیک، دو بخش عمده داریم: 1. تشکیل معادله درست 2. حل آن معادله.  کمابیش همیشه قسمت 1 را فیزیک محسوب می‌کنیم و 2 را ریاضی و در میانه ی حل مسئله همیشه حسی داریم که این قسمت کار فیزیکِ مسئله است و آن قسمت ریاضیات (با لحنی که گویا ریاضی چیزی جدا از فیزیک است) یکی دیگر از چیزهایی که از تمایز میان تحلیلی و ترکیبی یاد گرفتم این بود که این جدایی فیزیک و ریاضی یا 1 و 2 صرفا به خاطر روشهای تحلیلی است و این که  احساس میکنیم مسئله قسمتی دارد مثل قسمت 2 که صرفا باید روشهای کور حل معادلات ریاضی را به کار ببریم، نتیجه مستقیم ظهور روشهای تحلیلی است و جالب این که در کتاب هم به ماهیت مکانیکی روشهای تحلیلی اشاره شده که به شهود فراوانی نیاز ندارند.

پ.ن کتابی: الان دارم کتاب فلسفه براوئر را می‌خوانم، فکر کنم بعد از این حداکثر یک یا دو کتاب دیگر راجع به موضوع فلسفه ریاضی بخوانم. این روزها سرما خورده ام و این کتاب هم آنچنان روان نیست.

پ.ن ریاضی: یادم آمد که علاقه من به بنیادهای ریاضی مربوط به قبل از آشنایی من با فلسفه علم است، من کتاب نظریه مجموعه ها را پنج سال پیش، قبل از خواندن فلسفه علم شروع کرده بودم و هر دو کتاب منطق ریاضی را همان موقع ها خریدم.

پ.ن سیاسی: دل‌مشغولی‌های سیاسی برای من مهم و جدی‌اند، اما چرا این‌جا هیچ بازتابی ندارد؟ دلیل پیچیده‌ای ندارد، نظر من در سیاست احتمالا خیلی عمیق‌تر از نظر رهگذر سر کوچه‌مان نیست که معتقد است «آقا کار، کار خودشونه». ترجیح می‌دهم در این زمینه عمیق مطالعه و فکر کنم، فعلا اوضاع بر مدار هیجان است و هر کسی فُحشی می‌دهد، من ترجیح می‌دهم فکر کنم، تجربه تاریخ نشان داده نتایج فُحش و «هر چی بیاد از اینا بهتره» و هیجاناتی از این دست، هرگز خوشآیند نیست.

پ.ن حاشیه: لعنتی‌های حاشیه دوست، پست قبلی من رکورد بازدید در کوتاه مدت و لایک را شکست! چرا این قدر حاشیه دوست دارید؟