ماهیت برهان علمی در عصر شبیه سازی ها(۱)

 آیا تقلید عددی روش سومی در کشف حقیقت است؟

نویسنده : کوین هِنگ
مترجم : ایمان احسانی*

توضیح عکس فوق : طرح لئوناردو داوینچی از تلاطم و اغتشاش در جریان آب {در پانصد سال قبل} که پیچیدگی مقیاس های چندگانه را حتی در پدیده ی ساده ای مانند جریان آب ، نشان می دهد. ناهمواری ها و امواج ،حتی در مقیاسهای ریزتر، به موجهای بیشتری تقسیم می شوند. چالش مدلسازیِ چندمقیاسه، بدست دادن یک تصویر بزرگ {از پدیده ی مورد مطالعه} در عین لحاظ کردن اثرات ناشی از جزئیات موجود در کوچکترین مقیاس است. همین طور که پیچیدگی شبیه سازی های کامپیوتری افزایش می یابد، مفروضات {به کار گرفته شده در} یک مقیاس می تواند اثرات عمیق و ظریف ای در سایر مقیاسها داشته باشد.

مقدمه ی مترجم : مخاطب این مقاله کسانی هستند که در مقطع کارشناسی ارشد یا دکترای رشته های مهندسی یا علوم پایه با مدلسازی پدیده های فیزیکی گوناگون آشنا شده اند. محققین رشته های مختلف علمی می توانند نکات علمی- فلسفی قابل توجهی درباره ی پیش فرضهای مدلسازی و مشکلات مربوط به آن در این نوشته بیابند بویژه کسانی که در رشته هایی با عدم قطعیت بالا مانند علوم مربوط به آب و هوا ، هیدرولوژی یا اخترشناسی و… نیاز به شبیه سازی پدیده های مختلف فیزیکی دارند. در این مقاله هشدارهای جدی ای در مورد پیش فرضهای آشکار و پنهان در مدلسازی داده می شود و بر قابلیت بازتولید مدلها و ابطال پذیری شان به عنوان شروط روش علمی و رسیدن به حقیقت تاکید می شود. مترجم امیدوار است اهل علم همچون پاره ای اهل دین به یقین و تعصب آلوده نشوند چرا که عواقب حاکمیت تعصب و کوربینیِ ایدئولوژیک، خواه به نام دین و خواه به نام علم، بیش از هر زمان دیگری در ایران امروز هویدا شده است. مترجم از پیشنهادات و نظرات اهل فن درباره ی این ترجمه استقبال می کند. عبارات داخل {} را مترجم افزوده است برای توضیح بیشتر و درک بهتر.

تجربه گرایی در قلب روش علمی قرار می گیرد و در پی فهم جهان از طریق آزمایش و تجربه است. این چرخه ی فرمولبندی و آزمون فرضیات ابطال پذیر با شکل مدرن ای از عقل گرایی درهم آمیخته است -{عقل گرایی عبارت است از } استفاده از استدلال ، ریاضیات و منطق برای فهم طبیعت . این مکاتب اندیشه {یعنی عقل گرایی و تجربه گرایی } طی قرن ها در تاریخ تدوین شدند تا اینکه این اواخر بسیار از هم تمایز یافتند. یکی از شارحان تجربه گرایی، فیلسوف اسکاتلندی “دیوید هیوم” در قرن هجدهم بود که به ادراک ذهنی و مبتنی بر حواس از جهان اعتقاد داشت. {از طرف دیگر} عقل گرایی بر این باور است که استدلال به تنهایی برای فهم جهان طبیعی کافی است و نیازی نیست به تجربه رجوع شود. ریشه های این عقل گرایی ممکن است به فیلسوفان یونانی ارسطو،افلاطون و فیثاغوریث برسد. شارحان مدرن تر این عقل گرایی عبارتند از :کانت،لایب نیتس و دکارت.

مثال بارزی از هر دو روش { تجربه گرایی و عقلگرایی } در حال کار، اخترشناسی و اخترفیزیک است. اخترشناسان کشف می کنند، فهرست بندی می کنند و تلاش می کنند تا با تلسکوپ های پرقدرت، آسمان شب را بفهمند. {در حالیکه }اخترفیزیکدان ها عمیقا به ایده های نظری برآمده از فرضیات می اندیشند و آنچه را که فرد انتظار دارد مشاهده کند پیش بینی می کنند و سعی می کنند اصول سازمان دهنده ای را کشف کنند که پدیده های نجومی را یکپارچه می کند. اغلب محققین هر دو رشته ی علمی را به کار می گیرند.

مشکلات در اخترفیزیک – و به طور کلی فیزیک – اغلب ممکن است با تمرکز بر روی مقیاسهای مطلوب طول، زمان و سرعت مشخصه مهار شود. زمانی که سعی می کنید آب را به عنوان یک سیال بفهمید ، مفید است که آن را به صورت یک محیط پیوسته در نظر بگیرید، و نه مجموعه ی عظیمی از مولکول ها. زیرا این کار تجسم کردن ( و محاسبه نمودن) رفتار ماکروسکپیک آب را بسیار آسانتر می کند. هرچند زمین در مقیاسهای زمانی جغرافیایی در حال تغییر و تحول است اما اقلیمِ (آب و هوا) سراسری آن، ضرورتا در یک روز تغییر نمی کند و بنابراین توضیح ضرورت و فوریت مساله ی تغییر اقلیم برای عموم دشوار است { زیرا مردم عادی فقط مقیاسهای کوتاه روزانه را در نظر می گیرند و نه مقیاسهای بزرگ جغرافیایی را}. سیاره های منظومه ی خورشیدی به دور یک خورشید ثابت نمی گردند، بلکه خورشید در اثر مجموع کشش ناشی از نیروی جاذبه ی سیاره ها حول مرکز جرم اش، کند و سنگین تکان می خورد. اما اغلب کفایت می کند که خوشید را ثابت تصور کنیم. چرخه های میلانکویچ موجب می شوند خروج از مرکزیت و انحراف مدار زمین طی صدها هزار سال تغییر و تحول پیدا کند اما این چرخه ها در مدت عمر انسان ضرورتا ثابت اند.این جدا بودن مقیاس ها یک مساله را، تا حد لخت و عور شدن وجودش باز و عریان می کند تا به فرد اجازه دهد در مقیاس مورد نظرش از درون مهمترین ویژگی های فیزیکی {آن مساله}آگاهی یابد.

از طرف دیگر مساله های چند مقیاسه خودشان را تسلیم چنین ساده سازی هایی نمی کنند. آشفتگی های کوچک در یک سیستم ممکن است موجب شود در اندازه ها و مقیاس های زمانیِ بیشماری، تاثیرات بزرگی بروز کند. ساختارها در مقیاسهای بزرگ با مشخصات مقیاسهای کوچک در حال تبادل اند. برای مثال یکی از چالشهای جدی در اخترفیزیک فهم تشکیل سیاره است – یعنی توانایی پیش بینی پراکندگی سیارات فراخورشیدی ( exoplanets ) که در ابتدا از ابری از گاز و غبار پیرامون یک ستاره ساخته می شوند . تکوین سیاره ذاتا یک مساله ی چندمقیاسه است: عدم قطعیت ها در مقیاسهای میکروسکوپیک، از جمله این که چطور تلاطم جریان گردابی و ذرات بنیادی دانه های غبار خلق می شوند، ما را از پیش بینی خروجی سیستم در مقیاس های بزرگ نجومی باز می دارد. بسیاری از مسائل زندگی واقعی در زیست شناسی،شیمی،فیزیک و علوم جوی و اقلیمی نیز همین طور چندمقیاسه اند.

روش مدرن سوم ای که در صورت ضرورت برای آزمون کردن و پذیرفتن حقیقت علمی – علاوه بر نظریه و آزمایش – به کار می رود بوسیله ی شبیه سازی ها انجام می گیرد که به معنای استفاده از کامپیوترها (ی اغلب بزرگ) برای تقلید از طبیعت است. این یک دنیای ساخته شده در کامپیوتر است. فرد یک (یا چند) معادله برای توصیف سیستم فیزیکی مورد مطالعه تعیین می کند،آن را داخل یک کامپیوتر برنامه نویسی می کند و سیستم{ساخته شده در کامپیوتر} را در مکان و زمان به جلو می راند. اگر همه ی قوانین فیزیکی مربوطه به درستی به کار گرفته شده باشد فرد کارش را با یک نمونه سازی/تقلید به پایان می برد – یک ماتریس کامل{با ایهام کلمه ی The Matrix نویسنده هم به معنای ماتریس که در شبیه سازی استفاده می شود اشاره می کند و هم به فیلم ماتریکس که در آن آینده ای تصویر می شود که آنچه انسانها به عنوان واقعیت درک می کنند در واقع واقعیت شبیه سازی شده ای است که بوسیله ی ماشینهای هوشمند خلق می شود.} – مانند رونوشت ای از دنیای فیزیکی در واقعیت مجازی.

در اخترشناسی و اخترفیزیک این روش سوم مفید بوده است و این بیشتر به خاطر وضعیت منحصر به فرد اخترشناسی به عنوان یک علم تجربی بوده است. اخترشناسی برخلاف دیگر رشته های مبتنی بر آزمایشگاه ،ممکن است کنترل کاملی بر آزمایشات اش نداشته باشد- فرد نمی تواند به سادگی اشیاء را در آسمان دوباره بچیند. پدیده ی نجومی اغلب اطلاعات زیرمجموعه ای از یک طبقه از اشیاء در یک لحظه ی خیلی خاص از فرگشتِ (تکامل) آن اشیاء را کدگذاری می کند. برای فهمیدن کل آن طبقه از اشیاء در کل زمان کیهانی، نیاز است تکوین و فرگشت شان با استفاده از شبیه سازی های بزرگ کامپیوتری مدل شود. سیارات فراخورشیدی، ستاره ها، سیاهچاله ها، کهکشانها و حتی خوشه هایی از کهکشان ها، همگی مثالهایی از طبقات مختلف ای از اشیاء هستند. امید است که این شبیه سازی ها به فهم کلان ای منجر شود که پدیده های نجومی ظاهرا نامربوط به هم را یکپارچه می کند.

اخترفیزیک  محاسباتی رشد می کند
طی سالهای ۱۹۴۰ تا ۱۹۸۰ اخترفیزیکدان برجسته “مارتین شوارزچایلد” که اخیرا فوت کرده است، یکی از اولین کسانی بود که از شبیه سازی ها برای رسیدن به فهم روشن و دقیق از اخترشناسی استفاده کرد و شبیه سازی ها را برای فهمیدن فرگشت ستارگان و کهکشانها به کار گرفت. “شوارزچایلد” پی برد که فرایندهای فیزیکی حاکم بر ساختار اختری، غیرخطی هستند و با روشهای تحلیلی ( قلم و کاغذ) قابل حل کردن نیستند زیرا این امر نیاز به فهمیدن فیزیک گداخت هسته ای دارد در حالی که کهکشان ها سطوح کاملی نیستند. او شروع به تحقیق در مورد گداخت هسته ای و کهکشانها با استفاده از راه حل های عددی تولید شده بوسیله ی کامپیوترهای بزرگ ( در آن زمان) کرد.هر دو شیوه ی تحقیق { شیوه ی تحلیلی و شیوه عددی }از آن زمان تا به حال به رشته هایی مورد توجه و بالغ در اخترفیزیک تبدیل شده اند. این روزها یک اخترفیزیکدان احتمالا هم درگیر مهندسی برنامه های کامپیوتری پیچیده است و هم در حال ور رفتن با معادلات ریاضی بر روی کاغذ و تخته سیاه.

از سالهای ۱۹۹۰ تا به امروز ، روش استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری برای آزمون فرضیه ها رشد کرد. همزمان با پیشرفت تکنولوژی داده های اختری غنی تر شد و همین انگیزه ای شد برای پیش بینی ها و تفسیرهای نظری مفصل تر . کامپیوترها رایج تر و سریع تر شدند و این همراه شد با پیشرفت های سریع در تکنیک های الگوریتمی که بوسیله ی علم محاسبات توسعه داده شد. محاسبات حاصل از شبیه سازی های بزرگ به طور بی وقفه ای از لحاظ اندازه،جزئیات و پیچیدگی به مجموعه داده های تجربی شبیه شد.

اخترفیزیکدان های محاسباتی حالا به سه گروه تقسیم شدند : مهندسان ای برای برنامه نویسی، محققین ای برای فرمولبندی فرضیه ها و طراحی آزمایشات عددی و دیگران ای برای پردازش و تفسیر خروجی عظیم بدست آمده. مراکز ابرمحاسباتی تقریبا مانند رصدخانه های اختری عمل می کنند. به نظر می رسد این روش سوم خلق حقیقت علمی فارغ از بهتر بودن یا بدتر بودن اش، اینجا ماندگار شود.

در یک سری مکالمات ای که هنگام ناهار با اخترفیزیکدان ای به نام “پیت هوت” از انستیتو مطالعات پیشرفته ی پرینستون داشتم فهمیدم که ما هر دو درباره ی الزامات این شبیه سازی های در حال گسترش نگران ایم. اخترفیزیکدان های محاسباتی بعضی از اصطلاحات و زبان فنی ای که به طور سنتی از آن علوم تجربی بودند را اقتباس کرده اند. ممکن است شبیه سازی ها به طرز مشروعی به مثابه آزمایش های تجربی در نظر گرفته شوند همراه با مفروضات، ملاحظات و محدودیت هایی که از هر آزمایش معمول و مبتنی بر آزمایشگاه ای جدایی ناپذیر اند.

پروژه ی شبیه سازی هزاره که بوسیله ی انستیتو ماکس پلانک در مونیخ آلمان طراحی و اجرا شد مثال ای پیشگام از چنین روش ای است. این پروژه شبیه سازی عظیم ای از عالم در یک جعبه است که بنیاد و اساس کیهان را توضیح می دهد. مجموعه داده هایی که بوسیله ی این شبیه سازی ها تولید می شود آن قدر وسیع است که کل کارگاهها پیرامون آنها سازماندهی می شوند. تقلید جای داده های نجومی را گرفته است.

دور از حقیقت نیست اگر بگوییم مطالعات نظریِ طبیعت، تقریب و تخمین اند. هیچ معادله ای به تنهایی نمی تواند همه ی پدیده های فیزیکی در عالم را توصیف کند – و حتی اگر ما بتوانیم یک معادله ی کلی بنویسیم، حل کردن چنین معادله ای اگر نگوییم کاملا غیرممکن بسیار هزینه بر خواهد بود.معادلات ای که ما به عنوان نظریه پرداز مطالعه می کنیم صرفا تقریب هایی از طبیعت اند. معادله ی “شرودینگر” جهان کوانتومی را در غیاب نیروی ثقل توصیف می کند. معادله ی “ناویر – استوکس” توصیف ماکروسکپیک از سیالات است. معادله ی نیوتنی که نیروی جاذبه را تحت شرایط زمینی به دقت توصیف می کند بوسیله ی معادلات اینشتین تحت شرایط متفاوت، لغو و جایگزین می شود.

در اغلب موارد برای فهمیدن حرکت مداریِ سیاره های فراخورشیدی، پیرامون ستاره های دور ،در نظر گرفتن جاذبه ی نیوتنی به تنهایی کفایت می کند. برای فهمیدن اتمسفرهای این سیاره های فراخورشیدی نیاز است اتمسفرها را به صورت تقریبی به عنوان سیال در نظر گرفت و بروز و ظهور ماکروسکپیک مشخصات مکانیک کوانتومی مولکول های منفرد {آنها را} فهمید که شامل مشخصات جذب و پراکنش این مولکول هاست. هر کدام از این معادلات حاکم، بر مبنای یکی از قوانین طبیعت است – یعنی قوانین بقای جرم، انرژی یا مومنتوم یا بعضی تعمیم های کلی دیگر، کمیت های انتزاعی تری مانند حالت گردابی بالقوه. فرد معادله ی مناسب حاکم بر طبیعت را انتخاب می کند و معادله را در رژیم های فیزیکی مربوطه حل می کند،بنابراین مدل ای خلق می کند که تعداد محدودی از مشخصات برجسته ی یک سیستم فیزیکی را در خودش دارد. خود عبارت “مدل” بسیار گمراه کننده است. مدل ای که بر مبنای یک قانون طبیعت نیست حق ندارد که “مدل” نامیده شود.

* کارشناس ارشد مهندسی آب دانشگاه تبریز

* دبیر سابق انجمن اسلامی دانشکده فنی دانشگاه مازندرانimanehsani59@gmail.com

نظرات

نظر (به‌وسیله فیس‌بوک)