واینبرگ، مردی برای وحدت نیروها

وقتی آنچه از گفته‎‌ها و نظریات علمی نیوتون به جا مانده است را می‎‌خوانیم، معمولا اگر از گروه شیفتگان علم باشیم، دلمان می‎‌خواهد درباره او بیشتر بدانیم نه تنها از دانشش بلکه از آنچه در ذهن داشته، دغدغه‎‌های روزمره‎‌اش و راهی که طی کرده تا بشود نیوتون معروف. این ماجرا درباره اینشتین و همه دانشمندان معروف دیگری که می‎‌شناسیم هم صدق می‎‌کند. آنها برای ما افرادی دور از دسترس و ماورایی‎‌اند که انگار در زمان‌ه‎ای دور و زندگی‎‌هایی متفاوت با زندگی عادی ما می زیسته‎‌اند، اما اگر خوب نگاه کنیم، در دوران معاصر ما هم دانشمندانی هستند که افکار، ایده‌ها و نظریات فوق‎‌العاده مهمی داشتند و علم دوران خودشان را دگرگون کرده‌‎اند؛ یکی از آن‎ها به طور قطع «استیون واینبرگ» است، فیزیکدان بزرگی که در زمانه من و شما زیست و همین چند روز پیش جهان را ترک کرد.
او کسی بود که راه تازه‌‎ای پیش روی فیزیکدانان ذرات بنیادین گذاشت و جدول فیزیک ذرات را طوری معماری و تصحیح کرد که پاسخ پرسش‎‌های تازه‎‌ای درباره کیهان، روند شکل‎‌گیری و تکاملش را تا به امروز را بفهمیم. حالا پس از رفتن واینبرگ خستگی‌ناپذیر که تا واپسین روزهای زندگی‌‎اش مشغول تالیف و تدریس بود، باید منتظر بمانیم و ببینیم چه کسانی نظریه وحدت نیروها را در فیزیک به مقصد درستی می‌رسانند.

استیون واینبرگ، فیزیکدان معروف آمریکایی در خانواده‎‌ای یهودی و از طبقه متوسط به دنیا آمد. 16 ساله بود که پسر عمویش او را با علم شیمی و شگفتی‎‌های آزمایش‌‎هایش آشنا کرد و از آنجا در ذهن استیون چیزی متولد شد چیزی شبیه همان که وقتی پدر اینشتین یک قطب نما برای تولدش به او هدیه داد، در فکرش جرقه زد. این موضوع جایی ثبت نشده که استیون نوجوان از آن روز به بعد چه تصمیمی برای خودش گرفت اما واضح است که او از آن لحظه به بعد تا پایان عمرش از علم جدا نشد.

تحصیل در رشته فیزیک در دانشگاه کرنل اولین قدم‌‎های مسیری بود که او را به علاقه‌‎ای که در ذهنش شکل گرفته بود می‌‎رساند. در آن سال با «لوئیز گلدواسر» ازدواج کرد. پس از آن تحصیلات تکمیلی را در موسسه نیلز بور در کپنهاگ و بعد هم در دانشگاه پرینستون گذراند و دکترایش را در رشته محبوبش یعنی فیزیک و در سال 1957 میلادی گرفت. او سال‌ها سابقه تدریس در دانشگاه‌های هاروارد، کالیفرنیا برکلی و موسسه فناوری ماساچوست یا همان MIT را در کارنامه خود دارد و پیش از آن که در 88 سالگی از دنیا برود، همچنان مشغول تدریس در دانشگاه تگزاس شهر آستین به عنوان یکی از اعضای دپارتمان فیزیک و اخترفیزیک بود.

تمام نیروهایی که جهان ما را ساخته‌اند

قبل از آنکه به کارهای مهم واینبرگ اشاره کنیم، بیایید نگاهی به همه نیروهایی که روزانه آن‌ها را تجربه می‌کنیم بیندازیم: می‌توان آن‌ها را در چهار دسته بنیادین تقسیم‌بندی کر: جاذبه، الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف. این نیروهایی است که جهان ما را تشکیل داده و هر آنچه رخ می‌دهد بر اساس همین‎‌هاست. از میان این 4 نیرو شاید جاذبه بیش از بقیه برایمان آشنا باشد چون عملا ان را احساس می‎‌کنیم و اثراتش تا حدودی برایمان ملموس است اما سه نیروی دیگر هر کدام به دنیاهایی تعلق دارند که شاید کمتر درباره‎‌شان شنیده باشیم. جاذبه همان نیرویی است که کمک می‎‌کند ما روی سیاره زمین زندگی کنیم و باعث می‎‌شود سیارات به دور ستاره‎‌ها بچرخند و جزر و مد دریاها و اقیانوس‌‎ها شکل بگیرد. نیرویی که کمک می‎‌کند جوهر خودکار به پایین بیاید و بنویسد. جاذبه در مسافت‎‌های طولانی و مقیاس‌‎های بزرگ عمل می‎‌کند.

نیروی الکترومغناطیسی نیروی دیگری است که بین ذرات حامل بار مثل الکترون‎‌ها که بار منفی و پروتون‎‌ها که بار مثبت دارند، مبادله می‌‎شود این نیرو باعث می‎‌شود ذرات با بارهای هم نام یکدیگر را دفع و ذرات با بار مخالف یکدیگر را جذب کنند. این نیرو هم مثل جاذبه در مسافت‎‌های بزرگ می‌‎تواند احساس شود. نیروی هسته‎‌ای قوی است که بنیادی‌ترین ذرات ماده به «کوارک» را که تشکیل‌‎دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند، کنار هم نگه ‎می‌دارد و بخشی از این نیروی قوی نیز در نگهداری پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اتم نقش دارد.

نیروی ضعیف هسته‎‌ای همان نیرویی است که باعث تبدیل یا به اصطلاح واپاشی ذرات زیر اتمی مثل پروتون و نوترون و ... به یکدیگر می‌‎شود. این نیرو در مقیاس‌های کوچک درون اتم خودش را نشان می‎‌دهد. برد نیروی هسته‌ای ضعیف قابل مقایسه با نیروی قوی است. در واقع نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی تنها دو جنبه از نیرویی واحدند به نام نیروی الکترو ضعیف. وقتی انرژی ذرات بیش از ۵۰۰۰۰ مگا الکترون ولت باشد، نیروی وحدت یافته الکترو ضعیف احساس می‌شود. با کم شدن انرژی به صورت دو نیروی مجزا عمل می‌کنند.

سال‌ها پیش در اواسط قرن نوزدهم میلادی یعنی زمانی که «جیمز کلارک ماکسول» یکی از غول های فیزیک کلاسیک، کشف کرد که نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی شکل‌هایی از یک نیروی واحد هستند این موضوع در آن زمان و شاید اندکی بعد ماجرای خیلی شگفت انگیزی نبود اما وقتی که واینبرگ، عبدالسلام و گلاشو نشان دادند که نیروی الکترومغناطیس و نیروی ضعیف هسته‌‎ای در شرایطی که انرژی‌های خیلی زیاد در میان باشد همچون زمان انفجار بزرگ ماهیتی واحد دارند، آن وقت جامعه علمی شگفت زده شد. این موضوع حتی زمینه‌‎ای را فراهم کرد که فیزیکدانان برای رسیدن به یک ایده جامع که همه نیروها را با هم متحد می‎‌کند، فکر کنند. ایده‌ای که هنوز راه به جایی نبرده اما در مسیر مطالعه و پژوهش قرار دارد.

نوبل برای فیزیکدانی که طراح و معمار یک ایده ناب بود

اما چه چیز او را از دیگر فیزیک خوانده‌‎ها متمایز می‌‎کرد؟ بعد از دکتری فیزیک چه چیزی در انتظار دانشجویان علاقه‌مندی است که نمی‎‌خواهند تمام وقت خود را صرف تدریس آنچه آموخته‎‌اند کنند؟ استیون واینبرگ به این موضوع فکر می‎‌کرد و برای همین مسیر پسا دکتری را برگزید تا در آن دوباره به تحقیقات ادامه دهد. این دوره از زندگی‌‎اش را در دانشگاه کلمبیا و دانشگاه کالیفرنیا درباره فیزیک ذرات، دانشی که به مطالعه رفتار تمام ذرات و نیروهای شناخته شده در طبیعت است، پرداخت. کتاب‌هایی درباره تحقیقاتش در خصوص گرانش و کیهان‎‌شناسی و نظریه میدان نوشت که بعد مدتی به عنوان کتاب‎‌های درسی این رشته‎‌ها انتخاب شد.

پس از کشف «پیتر هیگز» در سال 1964 مبنی بر اینکه ذرات بنیادی از لحاظ نظری می‌‏توانند از طریق «مکانیسم هیگز» جرم به دست آورند. او، واینبرگ و دیگران سعی کردند نمونه‎‌هایی را پیدا کنند که این مکانیسم در طبیعت استفاده می‎‌شود. این تلاش‎‌ها در ابتدا بر نیروی قوی متصل‎‌کننده هسته‎‌های اتم متمرکز بود، اما هیچ نتیجه هماهنگ و مشخصی به وجود نیامد تا اینکه در سال 1967 زمانی که واینبرگ برای رسیدن به محل کارش در MIT رانندگی می‎‌کرد، ایده‌‎ای به ذهنش رسید و فکر کرد تا به اینجای کار ایده درستی را به کار گرفته‌‎اند اما مشکل جای دیگری بوده است. او متوجه شد به جای نیروی قوی، این مکانیسم می‌‎تواند برای نیروی هسته‎‌ای ضعیف که در مواد رادیواکتیویته ظاهر می‎‌شود، اعمال شود. او کم کم فهمید با این ایده می‎‌تواند فرمول‌بندی ریاضی خوبی بنویسد و آنچه در پدیده‎‌های مربوط به رادیواکتیویته اتفاق می‎‌افتد را به درستی تفسیر فیزیکی و ریاضی کند.

اندکی بعد از اینکه ساختار اساسی مدل استاندارد در سال ۱۹۷۴ کاملا تثبیت شد و قبل ازاینکه جزئیات از نظر تجربی و آزمایشگاهی در دهه بعد تأیید شوند، گلاشو و واینبرگ و عبدالسلام متوجه نکته‌ جذابی شدند. گلاشو همراه با هاوارد جرجی به جستجوی الگوهایی میان ذرات و نیروهای موجود پرداختند و با استفاده از ریاضیات نظریه گروه به دنبال احتمالات جدید گشتند.
این سه فیزیکدان نشان دادند که در مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادین، نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی طبیعت در مقیاس انرژی بالا، به یک نیروی واحد، متحد می‌شوند که آن را نیروی الکتروضعیف نامگذاری کرده‌اند. این بدان معناست که ریاضیات حاکم بر نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی یکسان هستند. هر دو نیرو با تقارن ریاضی یکسانی مقید می‌شوند و بازتاب متفاوتی از یک نظریه اساسی و واحد هستند. تقارن، به‌واسطه برهمکنش میدان هیگز با ذرات حامل نیروی ضعیف، به‌طور خودبخود می‌شکند، نه به خاطر برهمکنش با ذره های حامل نیروی الکترومغناطیسی. این شکست خودبخود تقارن طبیعت، باعث می‌شود که این دو نیرو به عنوان دو نیروی مجزا و جداگانه در مقیاس هایی که ما می‌توانیم اندازه گیری کنیم ظاهر شوند: با کوتاه برد بودن نیروی ضعیف و بلند برد ماندن نیروی الکترومغناطیسی.
آنها توانستند با توضیح وحدت این دو نیرو، وجود ذرات جدید W و Z را پیش‌بینی کنند. اگرچه دو نیروی الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف در انرژی‌های پایین کاملاً متفاوت رفتار می‌کنند، اما در انرژی‌هایی با گستره ۱۰۰ گیگا الکترون‌ولت وحدت می‌یابند. بنابراین زمانی که جهان به حد کافی داغ باشد (تقریبا 〖10〗^15 کلوین، مانند مدت‌زمان کوتاهی پس از انفجار بزرگ)، این دو نیرو در جهان به یک شکل بوده و به‌عنوان نیروی الکتروضعیف عمل می‎کند.

در سال 1973واینبرگ اصلاح مدل استاندارد فیزیک ذرات را پیشنهاد کرد که هنوز بوزون اساسی هیگز در آن قرار نداشت اما طرح کلی‌اش مشابه آنچه امروز می‌‎شناسیم بود. مدل استاندارد ذرات بنیادی جدولی است که ذرات بنیادین کشف شده یا قابل حدس توسط تئوری‏های فیزیکی در آن جای گرفته‏اند و چیزی شبیه جدول مندلیف در شیمی را ساخته‏اند. او در نهایت در سال 1979 به دلیل مقالات علمی و کشف نیروی الکتروضعیف به همراه گلاشو و عبدالسلام جایزه نوبل فیزیک را به دست آورد.
نکته مهم این بود که بعد از اتحاد این دو نیرو، کار هنوز تمام نشده بود مقالات و تئوری های دانشمندان این حوزه از نقش ضروری ذره ای به نام «بوزون هیگز» می‎گفتند‎، حالا فیزیکدان‎ها باید بیش از پیش به دنبال آن می‎گشتند هم پژوهش و بحث‎های تئوری لازم بود و هم تلاش آزمایشگاهی. در نهایت کار تجربی و تئوری در کنار هم کمک کرد تا پیش بینی‎ها به زودی در آزمایش‎های مختلف خودش را نشان دهد گرچه کشف آن حدود چهار دهه زمان برد. آخرین قطعه پازلی که طراحی و معماری بخش مهمی از آن مدیون نبوغ واینبرگ بود.

فلسفه آفت علم است و پادزهرش تاریخ علم

گرچه همه واینبرگ را به عنوان فیزیکدانی بزرگ و مشهور می‌شناختند اما او بعد از سال‌ها تدریس و پژوهش در فیزیک به حوزه تاریخ علم هم وارد شد و سعی کرد در زمینه فلسفه هم مطالعه داشته باشد. فلسفه از زمانی که فیزیکدان‎ها سعی کردند برای مکانیک کوانتومی توضیحات قابل درک بهتری را پیدا کنند بیش از پیش با علم گره خورد و در این مسیر واینبرگ لازم می‎دانست با به این حوزه هم آشنایی پیدا کند. با این حال او فلسفه را آفت علم می‌دانست که بهترین پادزهر در برابر آن، کسب اطلاع از تاریخ علم است. به همین دلیل او در کتاب «رؤیای یک نظریه نهایی» که در سال ۱۹۹۳ منتشر کرد، فصلی جداگانه با عنوان «علیه فلسفه» نوشت تا از مشکلات هر نوع تفکر و بینش فلسفی که با علم آمیخته شود، خبر دهد.

هیچ کس همه چیز را نمی‌داند
واینبرگ در سخنرانی‌اش در سال ۲۰۰۳ در یکی از جلسات علمی دانشگاه «مک‌گیل»گفته است: «وقتی کارشناسی فیزیک را تمام کردم، حدود هزار سال پیش(!) دنیای فیزیک در نظرم، چون اقیانوس وسیع و کاوش‌نشده‌ای می‌رسید که وادارم می‌کرد پیش از آغاز هرگونه کار پژوهشی، به‌خوبی آن را ترسیم و بررسی کنم؛ چگونه می‌توانستم بدون دانستن همه کار‌هایی که پیش‌تر انجام شده‌است، کاری انجام دهم؟ خوشبختانه، در سال اول تحصیلات تکمیلی، این شانس را داشتم که در دست فیزیک‌دانان خبره‌ای بیفتم که در برابر وسواس من اصرار داشتند که باید کار را آغاز کنم و در ادامه هرچه لازم است، فراگیرم. در کمال تعجب، متوجه شدم که این راه نتیجه می‌دهد و موفق شدم که خیلی زود دکتری فیزیک بگیرم. اگرچه هنگام دریافت آن تقریبا چیزی درباره فیزیک نمی‌دانستم، اما درس بزرگی فراگرفتم؛ اینکه هیچ‌کس همه‌چیز را نمی‌داند و شما هم مجبور نیستید همه‌چیز را بدانید.»