تجسم علمی

عنوان مقاله: تجسم علمی

نویسنده/ مترجم: ریچارد فیلیپس فاینمن/ هوشنگ سپهری

آدرس­ پست الکترونیکی نویسنده/ مترجم:

تاریخ تهیه:

ارسال کننده: همفکران جامعه مجازی - تاریخ ارسال: 1388

آدرس­ پست الکترونیکی ارسال کننده:

موضوع اصلی: علم - موضوع فرعی: روش علم

سه کلیدواژه اصلی به ترتیب اهمیت: پدیده­های علمی، تظاهر پدیده­ها، دیدگاه ریاضی

سه کلیدواژه فرعی به ترتیب اهمیت: نمایش ظاهری پدیده­ها، تصویر و نمودار، معادلات ریاضی

 

چکیده مقاله

من چگونه می­توانم مثلا میدان الکترومغناطیسی را در ذهن خود تجسم کنم؟ در صورت تجسم، چه چیزی خواهم دید؟ تجسم علمی نیازمند چیست؟ من هیچ تصویری از میدان الکترومغناطیسی که به نحوی دقیق باشد، در ذهن ندارم. ولی وقتی که می­خواهم میدان الکترومغناطیسی توصیف کرده و حرکت آن را در فضا نشان دهم، از میدان­ الکتریکی و میدان­ مغناطیسی حرف می­زنم و دست­هایم را تکان می­دهم. در این صورت ممکن است شما تصور کنید که من آن­ها را می­بینم. دانش ما از قوه تجسم ما تقاضاهای زیادی دارد. درجه تجسم مورد نیاز در زمان ما، بسیار بالاتر از زمان گذشته است. اندیشه­های امروزی را بسیار مشکل­تر می­توان تجسم کرد. اما امروز ابزارهایی در دست داریم که در گذشته نداشتیم. ما معادلات و دستورهای ریاضی را به کار می­بریم و تصاویر زیادی را به وجود می­آوریم. آنچه اکنون به آن پی برده­ایم این است که مثلا وقتی در باره میدان الکترومغناطیسی در فضا صحبت می­کنیم، در مقابل خود طیف وسیعی از نمودارهایی را می­بینیم که تاکنون در باره آن­ها ترسیم شده است. ما نمی­توانیم به خود اجازه تجسم جدی چیزهایی را بدهیم که در تضاد آشکار با قوانین شناخته شده طبیعت هستند. بدین ترتیب، نوع تجسمی که ما داریم، بازی کاملا دشواری است. گاه برای تجسم، باید در باره چیزی بیندیشید که هرگز دیده یا شنیده نشده است. ولی افکار، باید به شرایطی که برخاسته از دانسته­هایمان در مورد طبیعت است، محدود شوند. مسئله آفرینش چیزی که کاملا تازه است، اما با همه چیزهایی که قبلا دیده­ایم سازگاری دارد، بی­اندازه دشوار است.

دریافت فایل PDF مقاله

تجسم علمی

فیزیک پر از مفاهیمی است که ما نمی­توانیم تصاویر ساده­ای را از آن­ها به دست دهیم. بنابراین، نوسنده این مقاله نیز همچون بسیاری از دانشمندان امروزی، صلاح کار را در یافتن یک « دیدگاه ریاضی» می­بینند.

 

اگر از شما بخواهم که میدان­های الکتریکی و مغناطیسی را تجسم کنید، چه خواهید کرد؟ آیا می­دانید که چگونه این کار را انجام دهید؟ من چگونه می­توانم مثلا میدان الکترومغناطیسی را تجسم کنم؟ در صورت تجسم، حقیقتا چه چیزی خواهم دید؟ تجسم علمی نیازمند چیست؟ آیا با تلاش در تجسم این که مثلا اطاق پر از ارواح نادیدنی است، تفاوتی دارد؟ نه، تجسم علمی همانند تصور ارواح نادیدنی نیست.

 

درک میدان الکترومغناطیسی، به تجسمی بسیار فراتر از ارواح نادیدنی نیازمند است. چرا؟ زیرا برای این که ارواح نادیدنی را قابل درک سازم تنها کاری که باید بکنم این است که ویژگی­های آن­ها را اندکی تغییر دهم. به این ترتیب که ابتدا آن­ها را تا حدی قابل رؤیت ­کنم تا سپس بتوانم شکل اندام و مثلا هاله دور آن­ها را ببینم. همین که موفق شوم که یک روح قابل رؤیت را تجسم کنم، آن وقت تعمیم و تجرید مورد نیاز (یعنی انتخاب ارواح تقریبا نادیدنی و تجسم آن­ها به طور کاملا نادیدنی!) نسبتا آسان خواهد بود.

 

بنابراین خواهید گفت که: «استاد، لطفا یک توصیف تقریبی و هر چند نادقیق از امواج الکترومغناطیسی، به ما ارائه بدهید تا بتوانیم همان­طور که ارواح تقریبا نادیدنی را می­بینیم، این امواج را نیز مشاهده کنیم». در این صورت من باید تصویر را اصلاح کنم تا تجرید لازم امکان­پذیر شود. متأسفم که نمی­توانم این کار برایتان انجام دهم. زیرا نمی­دانم آن را چگونه انجام دهم.

 

من هیچ تصویری از میدان الکترومغناطیسی که به نحوی دقیق باشد، ندارم. من مدت درازی است که مفهوم میدان الکترومغناطیسی را می­دانم و بیش از شما در باره این امواج جنبنده اندیشیده­ام. وقتی که می­خواهم میدان الکترومغناطیسی توصیف کرده و حرکت آن را در فضا نشان دهم، از میدان­ الکتریکی و میدان­ مغناطیسی حرف می­زنم و دست­هایم را تکان می­دهم. در این صورت ممکن است شما تصور کنید که من آن­ها را می­بینم.

 

اگر شما چنین تصوری داشته باشید، می­توانم بگویم که چه می­بینم. چیزی شبیه به خط­های محو، سایه­وار و جنبنده که اینجا و آنجا، حروفی­ بر روی آن­ها نوشته شده است و شاید بعضی از این خط­ها پیکانی هم بر روی خود دارند که وقتی دقیق­تر می­شوم به کلی محو می­شوند. وقتی در باره میدان­هایی که در فضا صفیر می­کشند، صحبت می­کنم، بین نمادهایی که برای توصیف اجسام به کار می­برم  و خود آن اجسام، ابهام شدیدی به من روی می­آورد. واقعا نمی­توانم تصویری که حتی به طور تقریبی نظیر امواج حقیقی باشد، به وجود آورم. بنابراین، اگر پدید آوردن چنین تصویری برای شما هم دشوار است، نگران نباشید، زیرا مشکلتان زیاد غیرعادی  نیست.

 

دانش ما از قوه تجسم ما تقاضاهای زیادی دارد. درجه تجسم مورد نیاز در زمان ما، بسیار بالاتر از زمان گذشته است. اندیشه­های امروزی را بسیار مشکل­تر می­توان تجسم کرد. اما امروز ابزارهایی در دست داریم که در گذشته نداشتیم. ما معادلات و دستورهای ریاضی را به کار می­بریم و تصاویر زیادی را به وجود می­آوریم. آنچه اکنون به آن پی برده­ایم این است که مثلا وقتی در باره میدان الکترومغناطیسی در فضا صحبت می­کنیم، در مقابل خود طیف وسیعی از نمودارهایی را می­بینیم که تاکنون در باره آن­ها ترسیم شده است.

 

من دسته­های کوچک خطوط میدان را که در حال حرکت باشند، نمی­بینم، زیرا بیم آن دارم که اگر در میان آن­ها با سرعت متفاوتی حرکت کنم، این دسته­های کوچک ممکن است ناپدید شوند. من حتی همیشه این میدان­های الکتریکی و مغناطیسی را نمی­بینم، زیرا گاهی فکر می­کنم که می­باید مثلا تصویری با استفاده علایم ریاضی بسازم، شاید به این دلیل که به کمک آن­ شاید بهتر بتوانم توضیح دهم.

 

شاید بگوییم که تنها امید این است که باید یک نگرش ریاضی داشته باشیم. حال ببینیم نگرش ریاضی چیست؟ از نظر ریاضی، در هر نقطه از فضا، یک بردار میدان الکتریکی و یک بردار میدان مغناطیسی وجود دارد، یعنی به هر نقطه از فضا، شش عدد مربوط می­شود. آیا می­توانید تصورش را بکنید که به هر نقطه از فضا شش عدد وابسته باشد؟ باور کردنش بسیار دشوار است. آیا می­توانید تصور کنید که به هر نقطه از فضا حتی یک عدد مربوط باشد؟ من که نمی­توانم برای هر نقطه از فضا مثلا یک دما تصور کنم. این قابل درک است. گرمی و سردی چیزی است که از یک نقطه به نقطه دیگر تغییر می­کند. اما صادقانه می­گویم که تصور یک عدد برای هر نقطه از فضا از من ساخته نیست.

 

بنابراین، شاید بهتر باشد که این پرسش را مطرح کنیم: آیا می­توانیم میدان الکتریکی را با چیزی نظیر دما مشخص کنیم؟ مثلا برای نمایش آن جا به جایی یک تکه ژله را در نظر بگیریم. با این تصور شروع می­کنیم که جهان پر از ژله­ای رقیق است و میدان­ها نمایان­گر یک تغییر شکل (مثلا کشیدگی یا پیچیدگی) در این ژله هستند. آن وقت می­توانیم میدان را مجسم  کنیم. پس از این که «دیدیم» این حالت به چیزی شبیه است، می­توانیم تصوری از آن داشته باشیم. برای سالیانی دراز مردم می­خواستند که به همین شکل رفتار کنند. ماکسول، آمپر، فاراده و سایرین سعی داشتند پدیده­های الکترومغناطیسی را به این شیوه درک کنند. گاهی این ژله انتزاعی را «اتر» می­نامیدند.

 

اما سعی در تجسم  الکترومغناطیس به این شکل، واقعا سد راه پیشرفت شد. متأسفانه ما برای توصیف میدان، به انتزاع، به استفاده از وسایل برای آشکارسازی میدان و به کارگرفتن نمادها، محدود هستیم. با وجود این، به یک معنا این میدان­ها حقیقی هستند، زیرا پس از اتمام وقت­گذرانی با معادلات ریاضی (یا ایجاد تصویر و ترسیم یا سعی در تجسم اشیاء یا بدون آن­ها) هنوز هم می­توانیم ابزارهایی بسازیم که علایم ارسالی از فضا را دریافت کنند و در باره کهکشان­هایی با میلیاردها کیلومتر فاصله، چیزهایی به دست آورند.

 

سؤال مربوط به تجسم در علم، غالبا در میان دانشمندان سایر رشته­ها سوء تفاهم ایجاد می­کند. مثلا ممکن است بخواهند تجسم ما را مورد آزمایش قرار داده و بگویند: «تصویری از چند نفر که در مکانی قرار گرفته­اند، داریم. تصور می­کنید پس از آن چه اتفاقی خواهد افتاد»؟ اگر بگوییم: «نمی­توانم تصورش را بکنم»، ممکن است فکر کنند که ما تجسم ضعیفی داریم. آن­ها این واقعیت را در نظر نمی­گیرند که آنچه را ما در علوم مجاز به تجسم هستیم، باید با چیز دیگری که می­شناسیم، سازگار باشد. یعنی میدان­های و امواجی که در باره آن­ها صحبت می­کنیم فقط مشتی افکار دلخوش کننده نیستند که بتوانیم آزادنه بپرورانیم، بلکه اندیشه­هایی هستند که باید با همه قوانینی که در فیزیک می­شناسیم، سازگار باشند.

 

ما نمی­توانیم به خود اجازه تجسم جدی چیزهایی را بدهیم که در تضاد آشکار با قوانین شناخته شده طبیعت هستند. بدین ترتیب، نوع تجسمی که ما داریم، بازی کاملا دشواری است. گاه برای تجسم، باید در باره چیزی بیندیشید که هرگز دیده یا شنیده نشده است. ولی افکار، به قول معروف، باید دست به عصا باشند و به شرایطی که برخاسته از دانسته­هایمان در مورد طبیعت است، محدود شوند. مسئله آفرینش چیزی که کاملا تازه است، اما با همه چیزهایی که قبلا دیده­ایم سازگاری دارد، بی­اندازه دشوار است.

 

حال که در باره این موضوع بحث می­کنیم، می­خواهم سخن را بدانجا بکشانم که آیا ممکن است چیز زیبایی را که نمی­توانیم آن را ببینیم، تجسم کنیم؟ پرسش جالبی است. وقتی رنگین کمان را نگاه می­کنیم به نظر ما بسیار زیباست. همه می­گویند «اوه، رنگین کمان را نگاه کن». ملاحظه می­کنید که چقدر علمی فکر می­کنیم. من می­ترسم که بگویم چیزی زیباست، مگر این که یک طریق تجربی برای تعریف آن پیدا کنم. اما اگر نابینا بودیم چگونه می­توانستیم رنگین کمان را توصیف کنیم؟ وقتی که ما ضریب شکست فروسرخی کلرید سدیم (نمک طعام) را اندازه می­گیریم یا زمانی که در باره بسامدهای امواج رسیده از کهکشانی که نمی­توانیم ببینیم، صحبت می­کنیم، نابینا هستیم. ولی نمودار درست می­کنیم و منحنی رسم می­نماییم.

 

مثلا برای رنگین کمان، چنین نموداری ممکن است شامل تغییرات شدت تابش بر حسب طول موج باشد که توسط طیف­نما در جهات مختلف آسمان اندازه­گیری می­شود. چنین اندازه­گیری­هایی عموما به یک منحنی تقریبا مسطح منتهی می­شوند. سپس روزی، یک نفر کشف می­کند که در شرایط به خصوص هوا و تحت زوایای معینی در آسمان، تابع طیف شدت بر حسب طول موج رفتاری عجیب دارد، یعنی دارای یک برآمدگی است. اگر زاویه دستگاه را فقط اندکی تغییر دهیم، ماکسیمم این برآمدگی از یک طول موج به دیگری تغییر مکان می­دهد.

 

آن وقت مجله فیزیک افراد نابینا ممکن است روزی یک مقاله فنی با این عنوان منتشر سازد: «تغییرات تابش به عنوان زاویه، تحت شرایط معین هوا». در این مقاله ممکن است که یک منحنی نیز آورده شود. نویسنده آن نیز ممکن است نظر بدهد که در زوایای بزرگ­تر، در طول موج­های طولانی­تر تابش بیشتری وجود دارد. در حالی که تحت زوایای کوچک­تر، ماکسیمم تابش در طول موج­های کوتاه­تر به طیف­نما می­رسد. از نقطه نظر ما، نور تحت زاویه 40 درجه عمدتا سبز و تحت زاویه 42 درجه عمدتا قرمز است.

 

در این صورت نمودار تهیه شده برای مجله فیزیک نابینایان، دارای جزئیاتی بسیار بیشتر از آن خواهد بود که به هنگام نگاه کردن رنگین کمان دستگیرمان می­شد، زیرا چشمان ما نمی­تواند جزئیات کامل را در شکل طیف ببیند. اما چشم، رنگین کمان را زیبا می­بیند. آیا تجسم ما به قدر کافی قوی است که بتواند منحنی­های طیف، همان زیبایی را که ما در نگاه مستقیم به رنگین کمان می­یابیم، ببیند؟ نمی­دانم.

 

حال فرض کنیم که یک نمودار از ضریب شکست بلور کلرید سدیم بر حسب طول موج و نیز برحسب زاویه در منطقه فروسرخ طیف در دست داریم. اگر چشم­های ما می­توانستند ناحیه فروسرخ را ببینند، نمایشی از منظره­ای که جلوی چشم  ما مجسم می­شد، در اختیار داشتم. شاید رنگ «سبز» براق و درخشان آمیخته با بازتاب­هایی از سطح به رنگ «قرمز متالیک». این واقعا چیز زیبایی می­شد، اما من نمی­دانم که آیا هرگز می­توانم به نموداری از ضریب شکست کلرید سدیم که با دستگاهی اندازه­گیری شده نظر بیفکنم و بگویم که این به همان اندازه زیباست.

 

از طرف دیگر، حتی اگر ما نتوانیم در نتایج اندازه­گیری شده خاصی، هیچ­گونه زیبایی مشاهده کنیم، می­توانیم ادعا کنیم که زیبایی مشخصی را مثلا در معادلاتی که قوانین عمومی فیزیک را توضیح می­دهند، می­یابیم. به عنوان مثال، در معادله موج، احساس جالبی در باره نظم ظاهری z,y,x و t وجود دارد و این تقارن زیبا که در ظاهر شدن z,y,x و t وجود دارد، زیبایی بیشتری به ذهن متبادر می­سازد. زیبایی دلپذيری که از احساس وجود چهار بعد، تقارن چهار بعدی فضا، تجزیه و تحلیل فضا در چهار بعد و سرانجام پیدایش و تکامل نظریه نسبیت که معرف خاص و عام است، ناشی می­شود.

 

منبع: آرشيو دوره­های قديمی مجله دانشمند به مدير مسئولی و سردبيری علی ميرزايی