نوآوری‌های علمی و نوبل

ماهنامه دانشمند – موسی توماج: داستان‌های کشف و نوآوری‌های علمی و نوبل نه تنها بخش جذابی از تاریخ علم و فناوری هستند، بلکه خلاقیت و جنبه آفرینش‌گر انسان دانشمند را که در شرایط خاص تاریخی شکل می‌گیرد، به تصویر می‌کشند. انگیزه اولیه بیشتر کشف‌های علمی و نوبل نه به دلیل تصورات فرانسیس بیکن درباره شناخت طبیعت برای تسلط و استفاده از آن، بلکه ناشی از کنجکاوی و شوق برای درک پدیده‌های طبیعی است. این نوع کنجکاوی خاصیتی است که هر کودکی دارد و همان‌طور که اینشتین گفته، دانشمندان کسانی هستند که این کنجکاوی را در بزرگسالی نیز حفظ کرده‌اند.

داستان ریچارد فاینمن

در سال 1297/ 1918، دو سال پس از معرفی نظریه نسبیت عام از سوی اینشتین، مهاجری روس به نام ملویل آرتور فاینمن در شهرک فار راک اوِی (Far Rockaway) در حومه نزدیک به دریای نیویورک، منتظر تولد اولین فرزند خود بود. او به دلیل کمبود امکانات نتوانسته بود آموزشی رسمی ببیند، اما عاشق مطالعه و علوم طبیعی بود و درباره نوزادی که در راه بود به همسرش گفته بود: «اگر پسر باشد، دانشمند می‌شود.» و پسر به دنیا آمد و ریچارد نام گرفت. کودکی که رادیو تعمیر می‌کرد، برخلاف اینشتین که در کودکی نبوغی از خود نشان نمی‌داد، ریچارد از همان آغاز هوش سرشارش را نمایان ساخت.

پدرش به‌طور مداوم برای او کتاب‌های علمی عامه‌فهم می‌خواند و با زبانی ساده برایش توضیح می‌داد و در پیاده‌روی‌های طولانی درباره طبیعت، اقیانوس‌ها، ستارگان و چرایی پرواز پرندگان و جزر و مد دریا صحبت می‌کرد و این مسائل fascination عمیقی در او برای فهم رازهای طبیعت و حل مسائل پیچیده ایجاد کرد. ریچارد آزمایشگاه کوچکی برای خود درست کرده بود و به‌طور مداوم با وسایل خانه مانند رادیو و ساعت بازی می‌کرد و آن‌ها را دستکاری می‌کرد. دوازده ساله بود که می‌توانست رادیو را تعمیر کند و از این طریق درآمدی هم کسب می‌کرد.

دانشجوی فیزیکدان

با اتمام دبیرستان، فاینمن به قصد تحصیل در ریاضیات وارد «موسسه فناوری ماساچوست» (MIT) شد، اما در انتخاب رشته دانشگاهی مردد بود تا اینکه با بررسی رشته‌های دیگر از جمله مهندسی برق، سرانجام فیزیک را انتخاب کرد. در سال دوم، یکی از دروس فیزیک نظری مختص دانشجویان کارشناسی ارشد را انتخاب کرد. سال 1316/ 1937 بود و هنوز در MIT درس مکانیک کوانتومی که در آن زمان نظریه‌ای نوظهور بود، تدریس نمی‌شد. او و دو نفر از دوستانش موفق شدند یکی از استادها را راضی کنند تا مکانیک کوانتومی را به آن‌ها تدریس کند.

استعداد فوق‌العاده‌اش با انتشار دو مقاله علمی در مجله معتبر فیزیکال ریویو (Physical Review) در زمانی که هنوز دانشجوی دوره کارشناسی بود، ثابت شد. در حضور غول‌ها به دانشگاه پرینستون رفت تا دوره دکتری‌اش را بگذراند. حوزه علاقه فاینمن الکترودینامیک و مسائل بنیادی اندرکنش ذرات باردار ریزاتمی بود. اوایل این دوره استادش او را به ارائه یک سخنرانی در زمینه تحقیقاتش دعوت کرد. سمیناری که در حضور برخی از بزرگ‌ترین غول‌های فیزیک دوران از جمله اینشتین، ولفگانگ پاولی و جان فون نیومان برگزار می‌شد.

نبوغ در خدمت بمب

سال 1318/ 1939 جنگ جهانی دوم در اروپا آغاز شد و نگرانی‌ها از اقدامات آلمان برای ساخت بمب اتمی و نامه اینشتین به روزولت، رئیس‌جمهور وقت آمریکا، باعث شد که دولت ایالات متحده پروژه ساخت چنین بمبی را جدی بگیرد. مضمون نامه اینشتین هشدار درباره خطرات پیش دستی آلمانی‌ها در دستیابی به سلاح هسته‌ای بود. در سال 1322/ 1943 آزمایشگاه بمب در لس آلاموس در نیومکزیکو تحت مدیریت رابرت اوپنهایمر آغاز به کار کرد. فاینمن پس از تردید اولیه درباره کار مربوط به جنگ، به این طرح که پروژه منهتن نام گرفت، پیوست. در آن زمان 25 سال داشت و جوان‌ترین فرد پروژه بود.

استعداد او خیلی زود در آنجا شناخته شد و او به سمت سرپرستی یک گروه منصوب گردید. از عملکرد فاینمن در این پروژه تمجید و تکریم‌های زیادی به عمل آمد. محدودیت‌های امنیتی لس آلاموس برای فاینمن بسیار آزاردهنده بود و از دست دادن همسرش در همان زمان بر غم او می‌افزود. بنابراین با پایان پروژه در 1324/ 1945، او نخستین فرد از گروه مدیران بود که آنجا را ترک کرد.

سرخوردگی و تصمیم سرنوشت‌ساز

با اتمام پروژه ساخت بمب اتمی و رقابت دانشگاه‌ها برای جذب او، در حالی که تنها 27 سال داشت، استادی فیزیک در دانشگاه کورنل را انتخاب کرد. او عاشق تدریس بود، اما احساس می‌کرد از دورانی که با عشق به فیزیک می‌پرداخت دور شده است. سال‌ها بعد به یکی از دوستانش گفته بود: «در آن دوران از فیزیک بیزار شده بودم، اما قبلاً از آن لذت می‌بردم چون با آن بازی می‌کردم. آنچه را دوست داشتم انجام می‌دادم و اهمیتی نمی‌دادم که کاری که انجام می‌دهم برای پیشرفت فیزیک هسته‌ای مهم است یا نه؟ فقط بازی با آن برایم جالب بود.» او احساس یاس و ناامیدی داشت که به او می‌گفت دیگر نمی‌تواند کار مهمی در فیزیک نظری انجام دهد و باید تغییر و تحولی در زندگی حرفه‌ایش به وجود آورد.

بنابراین تصمیم گرفت به تدریس که همچنان آن را دوست داشت، بپردازد و به فیزیک هم مانند دوران جوانی‌اش به عنوان یک فعالیت سرگرم‌کننده و نه یک شغل نگاه کند و تنها زمانی که دلش خواست بدون نگرانی از مقام و اولویت‌ها با آن بازی کند.

بازی با بشقاب چرخان

یک هفته پس از این تصمیم سرنوشت‌ساز، در کافه‌تریای دانشگاه نشسته بود که ناگهان یکی از دانشجویان به شوخی جلوی دوستانش ظرف نهار خوری‌اش را به هوا پرتاب کرد. بشقاب در هوا می‌چرخید و در عین حال می‌لرزید. فاینمن متوجه لوگوی قرمز دانشگاه کورنل روی بشقاب شد که در حال چرخش بود. چون کار خاصی نداشت، پس محاسبات حرکت بشقاب چرخان را شروع کرد.

بلافاصله معادله‌های حرکت بشقاب را نوشت و معادله‌ای به دست آورد که به دو نوع حرکت مربوط می‌شد. آنچه به‌دست آورد چندان اهمیتی نداشت؛ دینامیک چرخش و لرزش سال‌ها پیش شناخته شده بود. برای فاینمن تبدیل حرکت پیچیده بشقاب در حال پرواز به معادلات دیفرانسیل یک سرگرمی محض بود. او آن روز یکی از همکارانش را دید و درباره نحوه حرکت بشقاب و محاسباتش توضیح داد. دوستش پرسید: «خب تا حدی جالب است، ولی چه اهمیتی دارد؟ برای چه چنین محاسباتی انجام دادی؟» فاینمن پاسخ داد: «ها! هیچ اهمیتی ندارد، من فقط به خاطر تفریح و سرگرمی این کار را انجام می‌دهم.»

فاینمن مانند نویسنده یا هنرمندی که از انسداد خلاقیت رهایی می‌یابد، دوباره شور و هیجان بازی با فیزیک را پیدا کرده بود. او به بازی با معادلات لرزش ادامه داد و با تطبیق آن با فیزیک کوانتوم به این نتیجه رسید که چگونه می‌توان این موضوع را با فضای چرخشی الکترون و بر اساس فرضیاتی که نظریه نسبیت بیان می‌کرد، تطبیق داد.

نظریه الکترودینامیک کوانتومی و جایزه نوبل

در ادامه، پس از مطالعات بیشتر، به معادله دیراک در الکترودینامیک کوانتومی رسید و نتیجه این تحقیقات به بازآفرینی نظریه الکترودینامیک کوانتومی (QED) و حل مسائل پیچیده آن منجر شد. فاینمن می‌نویسد: «بازی با این چیزها راحت و بی‌زحمت و به سادگی بازی کردن کنجکاوانه یک کودک با وسایل دور و برش بود، مثل آب خوردن؛ همه چیز به راحتی پیش می‌رفت و همه چیز به سادگی سر جای خود قرار می‌گرفت. نمودارها و معادلات و در مجموع کل این نتایج و تحقیقات، که به دریافت جایزه نوبل انجامید، ناشی از سرگرمی و بازی با همان بشقاب چرخنده و لرزنده بی‌اهمیت بود.»

QED یا نظریه شگفت‌انگیز دیراک در سال 1307/ 1928 نظریه الکترودینامیک کوانتومی یا همان (Quantum Electrodynamics) QED را پیشنهاد داده بود. نظریه‌ای که قرار بود مسائل مربوط به برهم‌کنش الکترون یا الکترون و ذرات بنیادی دیگر را توضیح دهد. تلاش دیراک در این راه به شکست انجامید. فاینمن و دو فیزیکدان دیگر به نام‌های جولین شونگر و شین ایچیرو توموناگو به فرمول‌بندی مجدد آن پرداختند تا بتوانند مشکلات آن را حل کنند. این سه دانشمند با دیدگاه‌های متفاوت شروع کردند و تقریباً همزمان به راه‌حل‌هایی یکسان برای مسائل الکترودینامیک کوانتومی رسیدند؛ از این رو جایزه نوبل فیزیک سال 1344/ 1965 به این سه نفر تعلق گرفت.

نظریه الکترودینامیک کوانتومی یک نظریه مکانیک کوانتومی الکترون و الکترومغناطیس یا به عبارت دیگر ترکیبی از نظریه‌های نسبیت خاص اینشتین و مکانیک کوانتومی است. QED به دو نوع از ذرات بنیادی، الکترون‌ها و فوتون‌ها و راه‌های متعدد برهم‌کنش آن‌ها می‌پردازد. اگرچه این کشف برحسب معیارهای امروزی در عرصه کوچکی سهم داشت و فقط برهمکنش‌های فوتون و الکترون را بررسی می‌کرد (نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف و گرانش را شامل نمی‌شد)، اما پس از سال‌ها ناامیدی به ثمر رسید و اولین پیشرفت اساسی در زمینه وحدت نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی بود.

فاینمن نظریه الکترودینامیک کوانتومی را «نظریه شگفت‌انگیز» نامید و معتقد بود این نظریه «گل سرسبد فیزیک و افتخارآمیزترین دارایی» ماست؛ واقعاً از لحاظی چنین بود. نظریه الکترودینامیک کوانتومی برای انبوهی از پدیدارهای فیزیک با موفقیت به کار گرفته شد. برخی از این پدیده‌ها اندازه‌گیری‌های دقیقی با دقتی شگفت‌انگیز را ممکن می‌کنند که با رهیافت فاینمن به QED سازگارند.

ماجراجوی شگفت‌انگیز فاینمن

فاینمن همچنین روشی ترسیمی ابداع کرد که به دیاگرام‌های فاینمن معروف شدند. این دیاگرام‌ها برای هر دو گروه فیزیکدانان هسته‌ای نظریه‌پرداز و تجربی کمک‌های عمده‌ای هستند. فیزیکدانان می‌توانند با استفاده از نمودارهای فاینمن نتایج حاصل از تقریباً هرگونه برخورد بین ذره‌ای پیچیده را محاسبه کنند و همزمان تصویری از آن برخورد را که می‌تواند خلاصه مناسبی از یک محاسبه ریاضی چندین صفحه‌ای باشد، به دست دهند.

ماجراجوی شگفت‌انگیز فاینمن چه به عنوان فیزیک‌دان و چه در موارد دیگر زندگی، همواره یک ماجراجو بود. ماجراجویی‌های او از طریق دو کتابش با عناوین «حتماً شوخی می‌کنید آقای فاینمن؟» و «چه اهمیتی می‌دهید مردم چه فکر می‌کنند؟» بسیار معروف شد. فاینمن فیزیکدانی شوخ‌طبع بود و بازکردن در گاوصندوق‌ها از شیرین‌کاری‌هایش بود و در این کار مهارت خارق‌العاده‌ای داشت! فاینمن درباره همه چیز کنجکاو بود. از گفتن اینکه «من باید چیزی باشم که نیستم» لذت می‌برد. او معلمی بزرگ بود و در انتقال مفاهیم پیچیده فیزیک به زبانی ساده، استادی تمام‌عیار بود.

او طبل‌نوازی ماهر شد، زیست‌شناسی یاد گرفت و به عنوان دستیار آموزشی در گروه زیست‌شناسی «موسسه فناوری کالیفرنیا» (CalTech) مشغول به کار شد. او چند تابستان به عنوان کارمند عادی یک شرکت تازه‌تاسیس رایانه مشغول به کار بود. فاینمن نخستین کسی بود که به امکانات فناوری‌های ریزابعاد که امروزه نانوفناوری نامیده می‌شود پی برد، همچنین یکی از افراد گروهی بود که به بررسی واقعه انفجار شاتل فضایی چلنجر در سال 1365/ 1986 پرداخت.

به شگفتی‌ها می‌اندیشید

او نمی‌توانست به یک مسئله پژوهشی روی آورد مگر آنکه کل آن را به شیوه خودش بازسازی کند یا به گفته خودش به آن جهتی تازه دهد. روی تخته سیاهش در کالتک این پیام نوشته شده بود: «آنچه را نمی‌توانم خلق کنم، نمی‌توانم بفهمم». او هیچ ترسی از ابهام، تردید و عدم قطعیت نداشت. می‌گفت «من از چیزهایی که نمی‌دانم احساس ترس نمی‌کنم و از پرداختن به آن‌ها و گم شدن در عالم اسرارآمیز ناشناخته‌ها، وحشت ندارم.» تردید انگیزه او بود که به اکتشاف می‌انجامید.

او از اینکه حل یک معما معمولاً به معمای دیگری منجر می‌شود ناراحت نمی‌شد. شناخت بیشتر به معمای ژرف‌تر و شگفت‌انگیزتری می‌انجامید و باعث درک عمیق‌تری می‌شد. برای فاینمن تأمل درباره عالم فراتر از انسان و تفکر درباره عالم بدون انسان (پیش از انسان و بعد از او)، به مثابه «تجربه‌ای مذهبی» بود. از نظر او، وقتی انسان اسرار و عظمت جهان خارج را درک کند، نظر عینی خود را مجدداً بر انسان برمی‌گرداند تا درباره زندگی به عنوان بخشی از عمیق‌ترین معماهای عامل تأمل کند و به تجربه‌ای وصف‌ناپذیر دست یابد. او متوجه شده بود که شاعران در این مورد چیزی نمی‌نویسند، بنابراین شعری سرود که چنین پایان می‌یابد: “کنار دریا ایستاده‌ام/ به شگفتی‌ها می‌اندیشم/ عالمی از اتم‌ها/ اتمی در عالم.”

ریچارد فیلیپس فاینمن (Richard Philips Feynman) سال 1367/ 1988 در 69 سالگی در لس آنجلس درگذشت.