درباره‌ی نیلس بور

در میان فیزیک‌دانان بزرگ قرن بیستم، سه شخصیت برجسته‌اند: شاید اینیشتین، رادرفورد، و بور. بور بیش از بک صد سال پیش متولد شد و در سال 1341/1962 از دنیا رفت. بنابراین از اهل علم، خیلی‌ها او را به خاطر دارند. از بور، وقتی نسبتاً جوان بود، خاطرات زنده‌ای وجود دارد؛ از اینکه مکانیک کوانتومی جدید چه تأثیری بر او گذاشت، و او چطور آن را به شاگردانش منتقل کرد.

نظریه‌ی مداری

همه‌ی ما اتم بور و مدارهای حرکت الکترون‌ها را می‌شناسیم. مفهوم مدار طوری در ذهن ما جا افتاده است که اغلب از قلمرو فضایی یک تابع‌موج، به عنوان شعاع مدار یاد می‌کنیم. نظریه‌ی مداری، این‌طور فراهم آمد: در سال 1290/1911 رادرفورد در منچستر، مقاله‌ی دورانسار خود را درباره‌ی مدل هسته‌ای اتم، در Philosophical Magazine منتشر کرد. طبق این مدل، اتم متشکل از یک هسته‌ی سنگین و الکترون‌هایی است که تحت تأثیر جاذبه‌ی آنند. سؤال این بود که چنین اتمی چگونه دوام می‌آورد، و چطور می‌توان تابشی با طیف خطی گسیل کند. آن وقت‌ها بور جوان پراستعدادی بود که در کمبریج کار می‌کرد. چیزی از کشف رادرفورد نگذشته بود که بور به منچستر فراخوانده شد، و فهمید جایش آن جاست. البته او با توجه به کارهای پلانک می‌دانست که تابش کوانتیده است؛ و اینیشتین در سال 1905 در توضیح اثر فوتوالکتریک، برای کوانتوم‌های نور انرژی hv را در نظر گرفته بود. با تفحص در این دو زمینه، بور در بهار سال 1291/1912 متقاعد شد که انرژی اتم کوانتیده است و در گذار اتم از یک حالت مانا به حالت مانای دیگر، تابش به صورت کوانتوم‌های نور گسیل می‌شود، و برای ساده‌ترین اتم‌ها (هیدروژن) این بدان معناست که مدارهای دایره‌ای کوانتیده‌اند؛ و بنابراین خطی بودن طیف را می‌شود توضیح داد. در ژوئیه‌ی همان سال مقاله‌ی بور حاضر شده بود و رادرفورد به اصرار از او خواست که منتشرش کند. اما بور اول باید برای ازدواج به دانمارک بر می‌گشت، و بعد هم عهده‌دار سمتی در دانشگاه کپنهاگ شد. او مقاله‌اش را در ششم مارس برای رادرفورد فرستاد، نظر رادرفورد این بود: نظریات شما در مورد منشأ طیف هیدروژن بسیار هوشمندانه‌اند و به نظر می‌رسد خوب از آب در بیایند، اما مشکل بتوان از معجون عقاید پلانک و مکانیک قدیم، برای آن‌ها مبنای فیزیکی پیدا کرد. با این‌همه رادرفورد مجذوب شده بود، و این برای دلخوشی بور کافی بود. هر سه مقاله‌ی معروف او در سال 1292/1913 در Phil Mag منتشر شد.
نظریه‌ی بور، آن سال در انجمن بریتانیا به بحث گذاشته شد. همه قانع نشدند – لرد ریلی، جی.جی.تامسون، ا.دبلیو ریچاردسون و پروفسور ریمان از زمره‌ی اهل شک بودند-اما نظریه جای خودش را خوب باز کرد. رادرفورد او را با حقوقی نزدیک به 200 پوند در سال به دانشگاه منچستر دعوت کرد. بور پذیرفت، اما قبل از شروع کار جنگ جهانی در گرفت. باوجود این او دوسال در منچستر ماند. در بازگشت به کپنهاگ، مقاله‌های مربوط به زمان جنگ آلمان به دستش رسید، به‌خصوص مقاله های زومرفلد، که با مطرح کردن مدارهای بیضی شکل برای اولین بار، در گسترش نظریات بور نقش اساسی داشت. با پایان جنگ، علی‌رغم اصرار رادرفورد در بازگرداندن او، بور حس کرد باید در کپنهاگ بماند، و انستیتوی خود را-که بعد‌ها انستیتوی معروف فیزیک نظری شد- در بلگدامسوی بر پا کند. در سال 1301/1922، یک سال بعد از اعطای جایزه‌ی نوبل به اینیشتین، این جایزه نصیب بور شد. رادرفورد به کمبریج رفت، و کمبریج، گوتینگن و کپنهاگ، مراکز فیزیک جدید شدند.

ظهور مکانیک کوانتومی

یکی از نویسندگان برجسته‌ی معاصر بور می‌گوید پدر و مادر من در کاوندیش زیر نظر جی.جی.تامسون کار کرده بودند، و با حس احترام به بزرگانی چون رادرفورد، بور و دیگران، پرورش یافته بودم. مدرسه که می‌رفتم با نظریه‌ی بور آشنایی داشتم، و وقتی به قصد خواندن نظریه‌ی کوانتومی وارد کمبریج شدم، قضیه‌ی مدارها موضوع روز بود. کتاب آندرید با آن تصاویر اغراق آمیزش از مدارها، تقریباً به صورت یک کتاب‌مقدس در آمده بود، مثل کتاب نظریه‌ی اتمی و خطوط طیفی زومرفلد. یادم نیست که سال اول تحصیل در کمبریج (5-1924) از مشکلات روزافزون نظریه‌ی مداری خبر داشتم یا نه. اما وقتی در سال 1926، از کمبریج فارغ‌التحصیل می‌شدم، همه می‌دانستیم که مکانیک کوانتومی جدید وجود دارد؛ به هر دو روایت هایزنبرگی و شرودینگری‌اش. و این چیزی بود که ما باید از آن سر در می‌آوردیم. سال بعد را، به کمک یک فرهنگ لغات آلمانی و با دست‌یابی به چند نشریه که شامل اولین برهان دقیق کوانتومی برای فرمول‌های پراکنش رادرفورد بود، به خواندن مقاله‌های هایزنبرگ و شرودینگر گذراندم. در سال 1307/1928 ترتیبی داده شد که یک ترم را با بور در کپنهاگ بگذرانم، و این تجربه‌ای بود که چشم مرا باز کرد. آن وقت‌ها در کاوندیش فیزیک نظری به رسمیت شناخته نشده بود؛ ما در کتابخانه‌ی کوچک آن‌جا که در عین حال چایخانه هم بود-و غالباً شلوغ-می‌نشستیم. اما نظریه دان‌ها، که اعضای دانشکده‌ی ریاضی بودند طبق سنت در انزوای اتاق‌های دانشکده کار می‌کردند. در انستیتوی بور، اوضاع کاملاً فرق می‌کرد. هر روز صبح همگی در انستیتو حاضر می‌شدیم. به اتاق‌های هم رفت‌و آمدمی‌کردیم. بور هم همینطور (هر چند اتاق داگلاس هارتری را دوست نداشت، چون هارتری همیشه پنجره‌اش باز بود و بور اسم این اتاق را گذاشته بود قطب شمال هارتری). او ما را برای قدم زدن به جنگل‌های دانمارک می‌برد؛ و می‌گفتیم و می‌گفتیم و می‌گفتیم. در کپنهاگ، یاد گرفتم که فیزیک نظری یکجور فعالیت اجتماعی است و توانستیم بفهمم که در تبادل افکار، چه لذت عمیقی هست.

زندگی در کپنهاگ

شاید تکه‌هایی از نامه‌هایی که آن روزها برای خانواده‌ام نوشته‌ام بتوانند گوشه‌ای از فضای کارکردن‌با بور را توصیف کنند.

23 سپتامبر 1928

دلم می‌خواهد حرف‌های بور را وقتی با نظریه‌ی جدیدی روبرو می‌شود بشنوم. این دفعه موضوع نظریه‌ی رادیو‌اکتیو (گاموف) مطرح بود ، که اگر آدم اصول مکانیک موجی را خوب فهمیده باشد، خیلی ساده و واضح است. بور اول مدت زیادی در سکوت نظریه را ورانداز می‌کند و مثل کسی که با یک اثر بزرگ هنری روبرو می‌شود چهره‌اش سراپا اعجاب و تحسین است؛ با خود نجوا می‌کند

6 اکتبر 1928

دیروز ساعت 4 بور به من گفت بیا خانه‌ی من یک کمی صحبت کنیم. ببینیم تازگی‌ها چه کار کرده‌ای، بقیه چه کار کرده‌اند. بقیه چه کار کرده‌اند. و ساعت شش که شد، وقت شام بود، بور گفت برای شام باش. شام را با بور و همسرش خوردم و درباره‌ی مجسمه‌سازی حرف زدیم. آن‌وقت بعد از شام، بحث را ادامه دادیم، حالا این بور بود که رشته‌ی کلام را بیشتر و بیشتر در دست می‌گرفت، حدود ساعت 9 تا آن‌جا که بدون محاسبات امکان داشت، بحث را پیش برده بودیم آن‌وقت بور شروع کرد به صحبت از فلسفه‌ی نظریه‌ی کوانتومی، و اینکه این نظریه چطور به ناتوانی شناخت انسان از خود مربوط می‌شود، چرا که انسان خود جزئی از جهان خارج است. و بعد، دوباره به نظریه‌ی کوانتومی و مسائل مهم آن پرداخت. حدود ساعت 11 بود که خداحافظی کردیم.
در سال 1307/1928 هیچ‌کس تردید نداشت که مکانیک کوانتومی نظریه‌ای برای آینده است؛ من مطمئنم بور هیچگاه از نظریه‌ی مدارهایش به دفاع برنخاست. همه قبول داشتند که تعبیر احتمالی، تعبیر درست است؛ و ما آن را تعبیر کپنهاگی می‌دانستیم. در واقع، اول بار، ماکس بورن بود که در مقاله‌اش در مورد مکانیک موجی مسأله‌ی برخورد، در سال 1926 نوشت اما با اینکه کارهای قبلی من روی مسأله‌ی برخورد بود، تا چند سال بعد که بورن جایزه‌ی نوبل را برد، متوجه این مقاله نشده بودم. در آن زمان جدل با شرودینگر درباره‌ی تعبیر تابع موجش، تقریباً به پایان رسیده بود. در کپنهاگ مقاله‌ای از جی.ار.اوپنهایمر دیدم که درباره‌ی برخورد میان یک الکترون و یک اتم هیدروژن نوشته بود، و تابع موج پادمتقارن را، که هایزنبرگ ارائه کرده بود، برای یک زوج الکترون به کار گرفته بود. من با استفاده از روش او، برخورد میان دو الکترون آزاد را بررسی کردم و دریافتم که سطح مقطع پراکنش بستگی به جهت اسپین دارد. آن موقع، معادله‌ی نسبیتی دیراک دراختیار بود، و من آن را به کار گرفتم تا ببینم آیا می‌شود از طریق پراکنش مضاعف یک باریکه‌ی قطبیده به‌دست آورد یا نه. بور به شدت به این موضوع علاقه‌مند شد: یعنی ممکن است باریکه‌ی قطبیده وجود داشته باشد؟ آیا اصل عدم قطعیت تعیین جهت اسپین یک الکترون آزاد را غیر ممکن می‌کند؟ یادم است سر این موضوع پشت سرهم بحث می‌کردیم. بور دور میز راه می‌افتاد، اول از یک جهت، بعد از جهت دیگر. یادم می‌آید-با شرمندگی-که چقدر عجولانه می‌خواستم ایده‌هایم را، قبل از اینکه به‌دست دیگران بیفتد منتشر کنم. اما حالا قدر همه‌ی این تجربه‌ها را می‌فهمم. کپنهاگ را ترک کردم، به قصد اینکه مؤسسه‌ای بنا کنم که در آن نظریه پردازان و تجربه‌گران، همان اندازه آزادی بحث و تبادل نظر داشته باشند که در مؤسسه‌ی بور داشتند، و در سال 1933، با دعوتی از دانشگاه بریستول، این امکان را یافتم. اما چون آن‌جا بیشتر رشته‌ی حالت جامد مطرح بود، تماس زیادی با بور نداشتم. بعدها بور یک بار به من گفت: بگو ببینم این فیزیک حالت جامد کجایش مهم است اما جواب من چنگی به دلش نزد، فقط گفت: جالب است.

نوترون و شکافت هسته

قبل از شروع جنگ، همه گذارشان به کپنهاگ می‌افتاد: پیرلس، لانداؤ، هایزنبرگ، روزنفلد، کازیمیر، پاؤلی، تلر، کرامرز و ..... نوترون در سال 1311/1932 در کمبریج کشف شد، بور فوراً آن را کلید دسترسی به هسته یافت. با گذشت سال‌ها، تصور او از هسته به صورت توده‌ای از ذرات سختیعنی پروتون‌ها و نوترون ها-به صورت مدل قطره‌مایع متحول شد. اولین مقاله‌اش در این‌باره در سال 1936 منتشر شد. بعد در سال 1938، فریش و عمه‌اش لیزه‌مایتنر، که از آلمان نازی مهاجرت کرده بودند، با در نظر گرفتن نتایج تجربی هان و اشتراسمن در آلمان، دریافتند که شکافت هسته باید انجام پذیر باشد. به شتاب خبر را به بور که با کشتی عازم آمریکا بود رساندند. همین‌قدر فرصت یافتند که او را در جریان بگذارند، پاسخ بور (به نقل از زندگی‌نامه‌ی روث مور) این بود: آه، چقدر همه‌ی ما بی‌فکر بوده ایم. خیلی عالی است، این همان چیزی است که باید باشد. او اخبار را به امریکا برد، اما فریش و ماینتر را مطمئن کرده بود که امتیاز این کار مال آن‌هاست. در پرینستون ضمن کار با ویلر، بور اول متوجه شد که این است که شکافت‌پذیر است نه ایزوتوپ معمولی سنگین‌ترش ، آنوقت همراه میلر، مقاله‌ی مشهورشان را در مورد شکافت هسته ارائه کردند-و این تحولی بود که باید(پس از نظریه‌ی کوانتومی اتم) بور را به‌خاطر آن به یاد داشت. در مورد هر دانشمند بزرگ، این سؤال پیش می‌آید که اگر او نبود این کشف چقدر عقب می‌افتاد؟ درباره‌ی اتم بور باید گفت تا بعد از جنگ جهانی. حالت‌های مانای اتم، تقریباً در خلال جنگ توسط فرانک و هرتز در گوتینگن محقق شده بود. پیامد سریع آن-اگر با بینش 1905 اینیشتین در اثر فوتوالکتریک، به آن نگاه می‌کردیم-باید نظریه‌ی کوانتومی تابش می‌بود. اما آیا هرگز می‌توانستیم حتی به فکر مدارها هم بیفتیم؟ یا می‌توانستیم یکراست به سوی نظریه‌ی شرودینگر برویم؟ معلوم نیست. اما در خصوص بور و ویلر، گرچه به موفقیت بزرگی رسیدند، به‌نظر من فرمی و دیگران هم می‌توانستند خیلی سریع به آن نتیجه برسند. مهاجرت به امریکا به دنبال روی کار آمدن نازی‌ها در آلمان، نتیجه‌اش تمرگز استعداد‌هایی شد که (دست کم در مورد نطریه‌پردازان) در سال 1912 مسلماً در هیچ‌جا وجود نداشت. اما باتوجه به جنگ قریب‌الوقوع، و وعده‌ی یک سلاح هسته‌ای، نفوذ بور در آماده کردن چنین سلاحی قبل از پایان جنگ، حتماً تعیین کننده بوده است. نه اینکه این مطلوب او بوده باشد.

انسانی خردمند

بعد از جنگ جهانی دوم و اشغال دانمارک از سوی آلمان، باید بور را انسان بزرگ و خردمندی بدانیم که کوشید به جهانیان چیزی بگوید بیش از آنکه فقط خالق ایده‌های فیزیکی باشد؛ گرچه در ابتدا، انستیتوی خود او بود که روی شکافت هسته بیشترین کارا کرد. دیداربا هایزنبرگ، رویداد ناراحت کننده‌ای بود. هر دو از مباحثات ناشاد بودند. بور خیال می‌کرد آلمانی‌ها دارند سخت‌روی یک سلاح هسته‌ای کار می‌کنند، و هایزنبرگ سعی دارد از او در این‌باره حرف بکشد. هایزنبرگ بعد از جنگ گفت که می‌خواسته است بور را نیز متقاعد کند که شکافت هسته‌ای را هرگز نباید در جنگ به‌کار برد. اما به‌هرحال، حاصل دیدار جز بدگمانی نبود. بعداً، سازمان جاسوسی انگلستان گزارشی مبنی بر امکان خطر تبعید بور دریافت کرد، که در این صورت او تحت فشار، وادار می‌شد به پروژه‌ی اورانیوم آلمانی‌ها کمک کند. بور به سوئد گریخت، و از استکهلم، یک بمب افکن موسکیتو او را (در قسمت حمل بمب) تا انگلستان آورد. بور دریافت که در امریکا و انگلستان، فیزیک دان ها انتشار هر مطلبی در مورد شکافت هسته‌ای را داوطلبانه متوقف کرده‌اند. پروژه‌ی مانهاتان، به‌خوبی پیش می‌رفت و به این ترتیب او شک نداشت که بمب ساخته خواهد شد. بور همراه پسرش آگه، کاملاً مخفیانه، به امریکا رفت تا ببیند آن‌جا چه می‌گذرد. به لوس‌آلاموس رفتند تا همه‌ی مراحل کار را دیده باشند. اما، همان‌طور که بور بعد‌ها گفت آن‌ها برای ساختن بمب اتمی به‌او احتیاجی نداشتند، درواقع، او نقش کاملاً متفاوتی بازی کرد؛ کانونی شد برای تمامی دغدغه و احساس گناهی که بعضی فیزیک‌دان‌ها در مورد کرده‌هایشان داشتند. بور مثل خیلی‌های دیگر در آن زمان معتقد بود که باید نظارت بین‌المللی را جانشین مسابقه‌ی تباه کننده‌ی تسلیحاتی کرد، اما اصرار داشت که اگر روس‌ها هم قرار است در این نظارت سهمی داشته باشند، باید آن‌ها را در جریان گذاشت. به‌نظر می‌رسید او خیلی‌ها را متقاعد کرده باشد. پرزیدنت روزولت هم موافق بود. بور به انگلستان بازگشت. می‌خواست نظرش را با چرچیل در میان بگذارد. در میان همه، چرول، در این کار اصرار ورزید، بالاخره چرچیل با بی‌میلی به این ملاقات تن در داد. اما چه مصیبتی؛ چرچیل نه وقت فهمیدنش را داشت، و نه حوصله‌اش را، بعداً به روزولت گفت به نظر من بور را باید زندانی کرد، یا به نحوی وادارش کرد بفهمد که در آستانه‌ی جنایتی مهلک قرار دارد. جدل‌های بور با اینیشتین، جوایز زیادی که نصیبش شد از جمله جایزه‌ی اتم برای صلح، و زندگی به‌عنوان یک دانشمند بشر دوست که تحسین و محبت جهانیان را به دنبال داشت، همه به دوران بعد از جنگ مربوط می‌شود. بور به‌طور ناگهانی در سال 1341/1962 درگذشت، درست وقتی که فیزیک جدید، کوارک‌ها، تقارن، و مشاهده با ماشین‌های بزرگ، داشت راه می‌افتاد.