گزارش سخنرانی عرصه‌های پژوهشی در فیزیک امروز

ظهر روز سه‌شنبه 31 اردیبهشت‌ماه 98، آمفی‌تئاتر دانشکدۀ علوم دانشگاه خواجه نصیرالدّین طوسی میزبان سخنرانی دکتر محمّدمهدی شیخ‌جبّاری بود. دکتر شیخ‌جبّاری، عضو هیئت علمی پژوهشکدۀ فیزیک پژوهشگاه دانش‌های بنیادی (IPM) هستند و کسب جایزۀ هرمن وایل، جایزۀ عبدالسّلام و انتخاب به عنوان استاد نمونۀ کشور در سال 87 از جمله افتخارات ایشان است. این سخنرانی با همکاری انجمن علمی ژرفا و انجمن علمی فیزیک دانشگاه خواجه نصیر برنامه‌ریزی و برگزار شد.

در این سخنرانی کوتاه امّا مفید، ایشان ابتدا در مقدّمه‌ای مبسوط در رابطه با فیزیک، چرخۀ علم، علوم نوپدید و همچنین اهمّیّت پرسش در تحقیقات علمی توضیحاتی دادند و سپس تعدادی از عرصه‌های علم را -که در ارتباط با فیزیک هستند- معرّفی کردند و بعد در قسمت اصلی صحبت‌شان، به تبیین عرصه‌های پژوهشی فیزیک امروز پرداختند. در این متن کوشش بر آن بوده که تا جای ممکن تمام بحث پوشش داده شود.

تعریف فیزیک

فیزیک علم فرمول‌بندی طبیعت یا تبیین تحوّل پدیده‌های طبیعی، در چارچوب روابط ریاضی است. همچنین هر فرمول‌بندی فیزیک شامل دو بخش است؛ در بخش اوّل می‌کوشیم با استفاده از کمیّت‌هایی مناسب وضعیّت سیستم را مشخّص کنیم و در بخش دوم با استفاده از روابط ریاضی -معمولاً یک معادلۀ دیفرانسیل- نحوۀ تحوّل کمیّت‌ها را تعیین می‌کنیم. در رابطه با این توصیف از فرمول‌بندی فیزیک، «مبادی علوم» اهمّیّت پیدا می‌کند. مبادی علوم تمامی کمیّت‌هایی را که به سیستم نسبت می‌دهیم  پوشش می‌دهند. از زمان ارسطو و قبل‌تر، به فضا-زمان و مادّه، مبادی علوم می‌گفتند. یعنی تمامی فرمول‌بندی فیزیک در انتها قرار است راجع به فضا-زمان و مادّه صحبت کند. اتّفاق مفهومی جدیدی که در دو-سه دهۀ اخیر افتاده، اضافه‌شدن اطّلاعات (information) به‌عنوان مفهومی مستقل و اضافه به مبادی علوم است. البته در طول تاریخ هم در مورد اطّلاعات صحبت شده‌است امّا به‌صورتی روی فضا-زمان و مادّه سوار می‌شده؛ امّا الآن اطّلاعات موضوعیّت مستقل پیدا کرده که تبعات این اتّفاق مهم را در دهه‌های بعد خواهیم ‌دید. به عنوان نمونه، «فضای مجازی» اسم مستعار اطّلاعات است. فضای مجازی روی هیچ‌چیزی مثل فضا-زمان بار نمی‌شود و دینامیک خودش را هم دارد. اصلاً صفت «مجازی» به این علّت روی این فضا گذاشته شده که هنوز اطلاعات به عنوان مفهوم مستقل جا نیفتاده‌است.

چرخۀ علم

برای پیشرفت علم باید چرخه‌‌ای مشخّص را طی کنیم:

1. چارچوب نظری: همان چارچوب ریاضی‌ است و حاوی معادلات و تعدادی نماد است؛ همانند مکانیک نیوتونی یا مکانیک کوانتومی. این چارچوب‌ها به چیز خاصّی در دنیای واقع به‌طور مستقیم ربط ندارند و فقط چارچوب ریاضی‌اند. مثلاً در رابطۀ F=ma، می‌آییم F را به نیرو نسبت می‌‌دهیم و m و a را هم همین‌طور.
2. مدل سازی: در چارچوب نظری اقدام به ساختن مدل‌هایی می‌کنیم. مثلاً مدل اتم هیدروژن در چارچوب مکانیک کوانتومی.
3. پدیده‌شناسی: انطباق مدل با آن‌چه که در جهان واقع وجود دارد.
4. آزمایش یا رصد: در این مرحله پیش‌بینی‌هایی که از دل مدل و پدیده‌شناسی بیرون آمده را به محک آزمایش می‌گذاریم و این‌گونه، مدل تأیید یا رد می‌شود.
5. گردآوری و تحلیل داده: اگر حجم داده‌هایی که به دست آورده‌ایم زیاد باشد (مثل کیهان‌شناسی و ذرّات بنیادی) این مرحله هم به چرخه اضافه می‌شود.

اگر موفق شویم در چارچوب خاصّی مدل‌های متعددی بسازیم که خوب کار می‌کنند، آنگاه این را به منزلۀ تأیید چارچوب می‌گیریم -هیچ‌گاه نمی‌توان چارچوب را مستقیم سنجید- و این‌گونه چرخه کامل می‌شود. بعضی مواقع به جایی می‌رسیم که چارچوب فعلی جواب‌گوی چیزی که در آزمایش‌ها دیده می‌شود نیست. یعنی بعد از ساختن تعداد زیادی مدل به بن‌بست می‌رسیم و مجبور می شویم چارچوب را تغییر دهیم؛  مثلاً آزمایش جسم سیاه پلانک با دانش مکانیک نیوتونی و فیزیک آماری آن زمان هم‌خوانی نداشت و این طی یک فرایند دو دهه‌‌ای به شکل‌گیری مکانیک کوانتومی منجر شد. البته باید توجّه داشته‌باشیم که تغییر چارچوب‌ها بسیار به ندرت اتّفاق میفتد و یک اتّفاق معمول نیست.

هر دور که چرخۀ علم را طی می‌کنیم، علم یک قدم جلو می‌رود و هرچه‌قدر که جلو می‌رویم، سؤال‌های بیش‌تری برای‌مان قابلیّت پاسخ‌گویی پیدا می‌کنند. تلاش فیزیک‌دان‌ها هم این است که بتوانند «پرسش»‎هایی را در «چارچوب‌های موجود» طرح کنند و پاسخ بدهند. ایشان تأکید کردند که کار تحقیقاتی (research) با پرسش شروع می‌شود، نه با مدل و جواب. هم‌چنین این پرسش‌ها به مرور زمان تغییر می‌کنند و مرزبندی بین علوم و گرایش‌ها هم همین طور. پس حوزه‌های پژوهشی بسیار سیّال هستند و در این دورۀ زمانی اگر کسی 20 سال بگوید من گرایش‌ام فلان است، با این روند علوم سازگاری ندارد.

شهود فیزیکی (بینش علمی)

کار فیزیک ساختن فرمول‌بندی با چرخۀ توصیف شده است؛ امّا یک چیزی هم از فرمول‌بندی فیزیک بیرون می‌آید که خارج از چرخۀ علم است: بینش علمی یا شهود فیزیکی. در واقع بعد از ساختن فرمول‌بندی و طرّاحی مدل و تأیید آن، یک شهودی از نماد‎های داخل معادلات به دست می‌آید که همان بینش علمی است.

در یک تمثیل، کار جمع فیزیک‌دان‌ها در طول تاریخ، نگاه کردن به دنیا، رسیدن به شهود علمی از طریق چرخۀ علم و کشیدن قسمتی از یک تابلوی نقّاشی، به عنوان تصویری از جهان است. در اصل هر فیزیک‌دان تکّه‌ای از این تابلو را نقّاشی می‌کند. وقتی از دور به تابلو نگاه می‌کنیم، فقط تصویر را می‌بینیم و نه فرمول‌بندی‌ها را؛ امّا وقتی نزدیک‌تر می‌شویم متوجّه می‌شویم که تصاویر بر اساس فرمول‌بندی‌ها هستند. کتاب‌های عامّه‌فهم هم گواهی بر این نکته هستند که می‌شود بدون بیان فرمول‌بندی، در مورد تابلو حرف‌زد. امّا به ‌عنوان فیزیک‌دان نمی‌توان فرمول‌بندی را کنار گذاشت؛ چون قرار است به تابلو نزدیک شده و قسمتی از آن را نقّاشی کند. با توجّه به این توصیف، این تابلو هیچ‌گاه تکمیل نمی‌شود چون همیشه می‌توان وضوح تصویر را بالاتر برد. فیزیکدانان، به این معنی، به دو دسته تقسیم می‌شوند: دستۀ اول که عمدۀ فیزیک‌دان‌ها را شامل می‌شود، سعی می‌کنند وضوح یک تکّۀ کوچک تصویر را بالا ببرند. دستۀ دوم هم از دور به تابلو نگاه می‌کنند و در تلاش‌اند تا تکّه‌های کشیده شده را با هم چفت و بست دهند.

علوم نوپدید

با پیشرفت علم فیزیک، موضوعاتی در دسترس قرار می‌گیرند که قبلاً نبودند. مثلاً در حوزه‌هایی می‌توان پرسید که سلّول‌های زیستی چگونه کار می‌کنند. برای پاسخ به این پرسش باید مقدار خوبی مکانیک کوانتومی، مکانیک آماری و زیست‌شناسی دانست. با این پرسش‌ها حوزه‌های جدیدی از دانش به‌وجود می‌آیند که قبلاً نبودند؛ به این حوزه‌ها «علوم نوپدید» می‌گوییم. کلمۀ علم به معنی دقیق خود در این اصطلاح ظاهر شده؛ به هرچیزی که بشود چرخۀ علم را برایش طی کرد علم می‌گوییم؛ به‌عنوان مثال، علوم نانو که بسیاری از علوم داخلش هست؛ فیزیک هم داخلش هست امّا علوم نانو صرفاً فیزیک نیست. مثال دیگر، علوم شناختی (cognitive science) است که یکی از اهداف بزرگش این است که بگوید مغز انسان چگونه کار می‌کند. داخل علوم شناختی، مدل‌سازی ریاضی، زیست‌شناسی، پزشکی، فیزیک، شیمی و مهندسی برق هست امّا به تنهایی هیچ‌کدام از این‌ها نیست. سابقۀ این علم حدود 30 سال و جزء مهم‌ترین عرصه‎ها‎ در دهه‎های آتی است. نمونه‌های دیگر، علم داده (Data science) و علم اطّلاعات (Information science) هستند.یدااب

عرصه‌های پژوهشی

در ابتدای این بخش به تفاوت عرصه‌های پژوهشی و گرایش‌های موجود اشاره شد و دکتر باز هم تأکید کردند که چیزی که اصالت دارد مسأله است و اساساً پژوهش با مسأله آغاز شده و سپس از ابزارهایی که وجود دارد برای حل مسأله استفاده می‌شود. ایشان به این علّت برای تأکید بر اصالت مسأله، از عبارت «عرصه‌های پژوهشی» استفاده‌ می‌کنند. سپس چند عرصۀ پژوهشی روز دنیا را معرّفی‌کردند و اضافه کردند که در هر عرصه زمینه‌های پژوهشی مختلفی وجود دارد که ممکن است برای هر کدام، نیاز به مسلّط بودن بر چند گرایش باشد:

1. عرصۀ انرژی: این عرصه خود به دو شاخۀ انرژی‌های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر تقسیم می‌شود. زمینه‌های پژوهشی سلّول‌های خورشیدی، هم‌جوشی هسته‌ای و سوخت‌های هیدروژنی مربوط به انرژی‌های تجدیدپذیر هستند. انرژی‌های تجدیدناپذیر هم شامل زمینه‌های سوخت‌های فسیلی و شکافت هسته‌ای است که فقط برای دومی باید به فیزیک‌ هسته‌ای، مهندسی هسته‎ای، متالورژی، مکانیک و… مسلّط بود.
2. عرصۀ برهم‌کنش انسان و ماشین: هوش مصنوعی یکی از زیربخش‌های مهم این عرصه است.
3. عرصۀ علوم شناختی: شامل زمینه‌های های علوم اعصاب شناختی، فرایند‌های شناختی، روان‌شناسی شناختی و… است.
4. عرصۀ داده‌های بزرگ: در شبکه‌های اجتماعی یا مثلاً تراکنش‌های بانکی، روزانه حجم بسیار زیادی داده تولید می‌شود که تحلیل این داده‌ها به زاییده‌شدن این علم منجر شده‌است.
5. عرصۀ علوم اطّلاعات

عرصه‌های پژوهشی در فیزیک

1. عرصۀ موادّ پیشرفته: هدف این عرصه درک ساختار و کنترل عملکرد موادّ پیشرفته است و قرار است به طرّاحی و ساخت موادّی با خواص دلخواه منجر شود. زمینه‌های مادّه‌چگال، موادّ نرم، سیستم‌های آماری، گذار فاز، ترمودینامیک غیر‌تعادلی، موادّ فعّال، بیوفیزیک و بیوفوتونیک از جمله زمینه‌های این عرصه هستند.
2. عرصۀ ساختار بنیادی مادّه و فضا-زمان: شاخه‌های مهمی که در این عرصه قرار می‌گیرند، عبارت‌اند از:

فیزیک ذرّات: زمینه‌های مادّه‌تاریک، فیزیک نوترینو، عدم تقارن مادّه و پادمادّه و فیزیک هادرون‌ها در این بخش قرار می‌گیرند.

کیهان شناسی: شامل زمینه‌های کیهان‌شناخت جهان اوّلیّه، تشکیل ساختار کیهانی، تحوّل کهکشان‌ها و انرژی تاریک است.

بخش‌هایی از اخترفیزیک: امواج گرانشی، تحوّل ستاره‌‌های مختلف و سیستم‌های دوتایی، تحوّل قرص‌های برافزایشی، هسته‌های فعّال کهکشانی (AGN) و سیّاره‌های فرازمینی از مهم‌ترین زمینه‌های این شاخه هستند.

3. عرصۀ برهم‌کنش نور و مادّه: هدف این عرصه، درک و کنترل برهم‌کنش میدان الکترومغناطیس در مادّه است و اهمّیّت این عرصه در این است که تمام ارتباطات و مخابرات‌ ما، در این عرصه ساخته ‌شده‌است. از جمله زمینه‌های این عرصه می‌توان به فیزیک پلاسما (این زمینه به زمینۀ هم‌جوشی هسته‌ای پیوند می‌خورد)، پلاسمای سرد، لیزر و لیزر الکترون‌آزاد، اپتیک (شامل اپتیک کوانتومی، الکترواپتیک، فوتونیک، مدار‌های اپتیکی) و سلّول‌های خورشیدی (مرتبط با عرصۀ انرژی) اشاره کرد.
4. عرصۀ چارچوب‌های نظری: این عرصه از لحاظ مفهومی، با دیگر عرصه‌ها متفاوت است زیرا غیرمستقیم با چرخۀ علم مرتبط است و در این عرصه مانند دیگر عرصه‌ها، به محک‌زدن مدل‌ها نمی‎پردازیم. زمینه‌هایی که در حال حاضر در دنیا مطرح‌اند عبارت‌اند از ترمودینامیک غیرتعادلی، سیستم‌های‌ پیچیده، پدیده‌های بحرانی، نظریۀ میدان‌های کوانتومی، مسألۀ فیزیک سیاه‌چاله‌ها و مسألۀ گرانش کوانتومی.

در آخر، ایشان ملاک پژوهش خوب را مسأله‌محوری و جلوبردن چرخۀ علم دانستند و اضافه کردند که هدف سخنرانی دیددادن از تابلوی در حال نقّاشی فیزیک بوده‌است.

با تشکر از کمک‌های نوید اکبری در مکتوب‌کردن این سخنرانی.