ذره، موج، کوانتوم

مقاله حاضر، تاريخچه اي از نظريه کوانتومي است که در قالب رقابت دو نظريه ذره اي و موجي نوشته شده و دربرگيرنده برخي از پيامدهاي مهم نظريه کوانتومي است
"کريستيان هويگنس"، فيزيکدان هلندي، درسال 1678 نظريه ساده اي براي نورمطرح کرد.دراين نظريه فرض مي شد که نورموج است(اما چيزي در مورد سرشت اين موج مطرح نمي شد)در مقابل "نيوتن"معتقد بود نور جرياني از ذرات است.اين فرضيه انتشار نور در ابزارهاي نوري را توضيح مي داد.توضيحش هم عموما قانع کننده بود.
هرچند هواداران نظريه موجي در زمان نيوتن کم نبودند، اما در رويارويي با نبوغ نيوتن شانس اندکي براي پيروزي داشتند.با مرگ نيوتن، نظريه ذره اي هم وارد دوران تاريک خود شد.کشفيات جديدي در حوزه نور اتفاق افتاد که نظريه ذره اي قادر به بيان توضيحي درباره آنها نبود.حدود صدسال پس از مرگ نيوتن نظريه موجي به دست دانشمند فرانسوي به نام "فرنل"تکامل يافت طوري که قادر بود براي تمام پديده ها شناخته شده تا آن زمان در مورد نور توضيح قانع کننده اي ارائه دهد.
فرنل نظريه موجي را به چنان درجه اي از دقت رساند که به جاي آن که رقيبي شکست خورده باشد،به فرمانروايي قدرتمند تبديل شد.

پس از آن،"فوکو"دانشمند فرانسوي،سرعت نور را درآب اندازه گيري کرد.نوردرخلابا سرعتي حدود 300 هزارکيلومتر درثانيه حرکت مي کند.بنا به نظريه ذره اي نيوتن اين سرعت در آب حتي بايد بيشتر از اين مي بود.اما بنا به نظريه موجي اين سرعت در آب بايد کمتر باشد.آزمايش فوکو نشان داد سرعت نور در آب درست همان مقدار کمتر از سرعت نور در هواست که نظريه موجي پيش بيني مي کرد.نظريه ذره اي رو به افول مي رفت و نظريه موجي روز به روز قدرتمندتر مي شد.
"مايکل فارادي"، پژوهشگر انگليسي که از رياضيات سررشته چنداني نداشت، براي توضيح دادن نتايج آزمايش هايش راه حلي ساده و غير رياضي ابداع کرد که اساس آن چيزي بود که خودش آن را "خطوط نيرو"مي ناميد.اگرچه در ابتدا مورد تمسخر رياضي دانان حرفه اي قرار گرفت، اما هر کشف جديد، مهر تاييدي دوباره بر ايده هاي فارادي بود.سال ها بعد "ماکسول"که به عمق نظرات فارادي به پي برده بود،ايده هاي او را به زبان رياضي بيان کرد.با اين کار،ايده فارادي به صورت درون مايه يک تفکر رياضي جلوه گر شد.ماکسول مفهوم ميدان الکترومغناطيسي را به جاي خطوط نيروي فارادي وارد فيزيک کرد.
ماکسول تنها به اين اکتفا نکرد و ادامه کار را گرفت ولي خيلي زود به تناقض رسيد ظاهرا همه چيز با نظريه او نمي خواند.دانشمندان به جست و جوي راه چاره پرداختند.در اين بين، خود ماکسول معادلات جديدي را که ظاهرا به صورت جزئي با معادلات قبلي اختلاف داشتند، پيشنهاد کرد.اين معاملات جديد نه تنها نتقاضات را از ميان برمي داشت، بلکه مفهوم جديدي نيز ارائه مي داد.بنابر معادلات جديد، بايد چيزهايي مانند امواج الکترومغناطيسي وجود داشته باشد که با سرعت نور حرکت مي کند و تمام خواص فيزيکي عمده نور را داشته باشد.اما براي پذيرفتن اين نظريه بايد امواج الکترومغناطيسي ماکسول به نحوي در آزمايشگاه توليد مي شد.با گذشت زمان و عدم موفقيت دانشمندان در توليد چنين امواجي، ترديدها آغاز شد تا اين که با گذشت بيش از هفتاد سال از مرگ ماکسول، "هاينريش هرتز"امواجي را که ماکسول پيش بيني کرده بود آشکارسازي کرد.
از آنجا که تمام جزئيات نظريه فرنل بدون استثنا در دل معادلات ماکسول جاي مي گرفت، و همچنين کشف امواج پيش بيني شده ماکسول توسط هرتز، ديگر هيچ شکي وجود نداشت که نور از جنس موج الکترومغناطيسي است.يعني امواج راديويي که توسط گيرنده هاي راديويي آشکار مي شوند ا زهمان نوع امواجي هستند که توسط چشم آشکار مي شوند.تنها تفاوت شان بسامدشان است؛ يعني تعداد ارتعاشاتشان در ثانيه.
مدت ها پيش از ماکسول، نظريه ذره اي در برابر درخشش نظريه ي موجي رنگ باخته بود تا اين که فاجعه روي داد:فاجعه فرابنفش.
ماجرا زماني آغاز شد که دو دانشمند به نام هاي "ريلي" و "جينز"با استفاده از نظريه هاي الکترومغناطيس و ترموديناميک، فرمولي براي تابندگي جسم سياه که بهترين جذب کننده و گسيل کننده امواج الکترومغناطيسي است، ارائه کردند که به "فرمول ريلي -جينز"شهرت يافت.

تابندگي محاسبه شده از طريق فرمول ريلي-جينز، در طول موج هاي بلند به داده هاي حاصل از آزمايش نزديک بود؛ اما در طول موج هاي کوتاه به صورت اسفباري ناموفق بود.اين شکست فرمول ريلي-جينز در طول موج هاي کوتاه را فاجعه فرابنفش ناميدند.
نظريه هاي ترموديناميک و الکترومغناطيس که فرمول ريلي-جينز بر آنها استوار بود، در بسياري از شرايط ديگر آزموده شده بود و سازگاري خوبي با نتايج تجربي داشت؛ ولي از قرار معلوم براي تابش جسم سياه کارايي نداشت و نوع جديدي از فيزيک لازم بود.اين فيزيک جديد که تابش جسم سايه را تفسير مي کرد، در سال 1900 توسط فيزيکدان آلماني "ماکس پلانک"پيشنهاد شد.فرض جسورانه پلانک اين بود که يک اتم نوسان کننده فقط مي تواند انرژي را در بسته هاي گسسته به نام "کوانتوم"جذب و تابش کنند.به اين ترتيب،مفهوم کوانتوم و ثابت بنيادي h توسط پلانک وارد فيزيک شد.
فرض پلانک و اهميت ثابت h در آن و پيامدهاي آن، بلافاصله براي دانشمندان آن زمان روشن نبود.در واقع، چنان که بعد خود پلانک هم گفت، اين فرض براي خود او هم چندان روشن نبود و بارها در مورد کار خودش شک کرد!
دوران شک وترديد ادامه داشت تا اين که"اينشتين"در سال 1905 با استفاده از نظريه پلانک،فرض جالب توجهي درباره سرشت نورکرد.فرض اينشتين از اين قرار بود که نور در مواردي چنان رفتار مي کند که گويي انرژي آن در بسته هايي جايگزيده متمرکز شده است.بعدا اين بسته ها را "فوتون"ناميدند.اينشتين توانست با اين فرض خود، براي پديده فوتو الکتريک (پرتاب شدن الکترون از سطح يک فلز به خارج به علت تابش نوري با بسامد معين به سطح آن)که قبلا توسط هرتز کشف شده بود و فيزيک کلاسيک از توضيح آن بازمانده بود،توضيح قانع کننده اي ارائه دهد.
اين کار اينشتين که صحت نظريه کوانتومي پلانک را تاييد مي کرد، با مخالفت خود پلانک روبه رو شد.پلانک معتقد بود انرژي الکترومغناطيسي به محض تابيده شدن، همانند امواج آب که درون آب گسترش مي يابند، در فضا گسترش مي يابد؛ اما اينشتين در عوض پيشنهاد کرد که انرژي تابشي در بسته هاي متمرکزي (همان فوتون ها)کوانتيده است.
در سال 1916"رابرت ميليکان"معادله فوتو الکتريک اينشتين را در معرض آزمون تجربي دقيق قرار داد.هرچند ميليکان نشان داد که اين معادله کاملا با تجربه سازگار است، اما خود او متقاعد نشد که فوتون ها اينشتين واقعي اند.او نوشت فرضيه اينشتين "اگر نگوييم بي پروا، جسورانه است."بعدها نوشته که مفهوم فوتون اينشتين "در حال حاضر کاملا غيرقابل قبول به نظر مي رسد."ولي بالاخره اينشتين در سال 1921 جايزه نوبل را به خاطر توضيح اثر فوتو الکتريک دريافت کرد.

با پيشرفت نظريه کوانتومي و راه يافتن مفهوم فوتون به فيزيک، نظريه ذره اي که ديگر به فراموشي سپرده شده بود، مي رفت تا جان تازه اي بگيرد و آزمايش هاي "آرتور کامپتون"نقش مهمي در تجديد حيات نظريه ذره اي نور ايفا کرد.
"ويلسون"، فيزيکدان انگليسي، در سال 1911 موفق به اختراع وسيله پر ارزشي شد.اين وسيله "اتاقک ابر"بود که مسير الکترون يا ساير ذرات بارداري را که از داخلش مي گذشتند، قابل رويت مي کرد.در سال 1923 کامپتون با استفاده از اين اتاقک ابر موفق شد تا اثر برخورد فوتون با الکترون را مشاهده کند.فوتون طوري به الکترون برخورد مي کرد و آن را پس مي زد که گوي يک ذره به الکترون برخورد کرده است.
براي روشن تر شدن مطلب، فرض کنيد در يک بازي بيليارد توپ ها همان الکترون ها باشند و چوب بيليارد موج باشد.آزمايش هاي گوناگون ترديدي باقي نگذاشت که فوتون ها همانند يک ذره رفتار مي کنند و دقيقا از قوانين حاکم برخورد ذرات تبعيت مي کنند.کارهاي کامپتون در اين زمينه که به تاييد نظريه فوتون اينشتين انجاميد، جايزه نوبل فيزيک سال 1927 را براي او به ارمغان آورد.
اما بالاخره نور چيست؟ موج است يا ذره؟ کدام ديدگاه بر ديگري برتري دارد؟

اگر بخواهيم به طور تجربي معين کنيم که مثلا نور موج است يا ذره، متوجه مي شويم آزمايشي که نور را به آشکار ساختن خصلت موجي اش وامي دارد، خصلت ذره اي را قويا پنهان مي کند.اگر آزمايش را طوري تغيير دهيم که خصلت ذره اي را نمايان کند، خصلت موجي آن پنهان مي شود و هرگز نمي توانيم خاصيت موجي و ذره اي را درشرايط يکسان رو در رو قراردهيم.تابش و ماده همچون دو روي يک سکه اند.مي توان ترتيبي داد تا سکه هر يک ازدو روي را که مي خواهيم به نمايش بگذارد،ولي نمايش هم زمان هر دو روي سکه ممکن نيست.
نه تنها امواج الکترومغناطيسي، بلکه ذرات مادي هم چنين طبيعت دوگانه اي دارند."لوئي دوبروي"در پايان نامه دکتراي خود که در سال 1924 به دانشگاه علوم دانشگاه پاريس عرضه شد، وجود امواج مادي را پيشنهاد کرد.
فرضيه دوبروي اين بود که همان طور که امواج مادي رفتار ذره اي دارند، ذرات هم نوعي رفتار موجي از خود نشان مي دهند.ولي به علت فقدان پشتوانه تجربي، هيچ اهميتي براي ايده هاي او قائل نشدند.اما آلبرت اينشتين اهميت و ارزشمندي اين نظريه را تشخيص داد و توجه فيزيکدانان ديگر را به آن جلب کرد.پنج سال بعد در حالي که ايده هايش از طريق تجربه قاطعانه تاييد شده بود و "جروج پاکت تامسون" توانسته بود رفتار موجي الکترون را به وسيله آزمايش آشکار کند، جايزه نوبل فيزيک را دريافت کرد.
نه تنها الکترون ها، بلکه تمام چيزهاي مادي با بارالکتريکي و يا بدون بار الکتريکي، در حرکت خود خصلت هاي موج گونه بروز مي دهند.اين پيامد ثابت پلانک است.

اين معضل دوگانگي موج-ذره را نمي توان با يک توضيح ساده حل کرد.بهترين کاري که مي توانيم بکنيم، اين است که بگوييم هيچ يک از تصويرهاي موجي و ذره اي به طور کامل و در همه اوقات صحيح نيست، بکله براي تشريح کامل پديده هاي فيزيک هر دو ضروري هستند.در واقع اين دو تصوير، مکمل يکديگرند.
يکي ديگر از پيامدهاي ثابت پلانک، اصل عدم قطعيت است.پيش از ورود ثابت پلانک به فيزيک، ترديدي وجود نداشت که مي توان مکان و سرعت هر ذره را در هر لحظه با هر درجه از دقت اندازه گرفت.اما زماني که ثابت پلانک پابه معرکه مي گذارد، ديگر نمي توانيم مکان و سرعت يک ذره کوچک مانند الکترون را همزمان و با هر دقتي که بخواهيم اندازه بگيريم.هرچه سرعت الکترون را دقيق تر اندازه بگيريم، از دقتمان درمورد تعيين مکان آن کاسته مي شود؛و هر چه مکان آن دقيق تر مشخص کنيم،دقتمان درمورد اندازه گيري سرعت آن کاهش مي يابد.
اين اصل، بلافاصله هدف انتقادهاي فراواني قرار گرفت.در واقع اين نکته که ساده ترين مختصه يک ذره را نمي توان دقيقا اندازه گرفت، خيلي ناگوار است!ولي هيچ راهي هم براي خلاصي از دست آن وجود ندارد.تا زماني که ثابت پلانک هست، عدم قطعيت هم هست.
با آن که همه فيزيکدانان توافق دارند نتايجي که نظريه کوانتومي پيش گويي مي کند به خوبي با تجربه مطابقت دارد، اما بحث پيرامون بنياد فلسفي آن همچنان در جريان است.اينشتين که مي توان او را يکي از بنيان گذاران نظريه کوانتومي دانست، با پيشرفت هاي بعدي اين نظريه خصوصا اين که رفتار ذرات دستگاه هاي ميکروسکوپيک لزوما بايد برحسب احتمالات بيان شود، به مخالفت برخواست.گرچه او در نهايت سازگاري منطقي نظريه و توافق آن با حقايق تجربي را پذيرفت، ولي تا آخر هم متقاعد نشد که نظريه کوانتومي واقعيت فيزيک غايي را نشان مي دهد.
منبع:دانشمند شماره556