ترک هایی در فیزیک کلاسیک

فیزیک نوین، نخستین بار در سال 1687 با انتشار پرینسیپیا (1) ( اصول ریاضی فلسفه ی طبیعت ) اثر ایزاک نیوتون به اوج خود رسید. پس از آن مکانیک به عنوان رشته ای که به بلوغ رسیده و توان توصیف روشن و علی حرکت ذرات را دارد، تثبیت شد. این علم جدید چنان کامل می نمود که، در اواخر قرن هجدهم، بزرگ ترین جانشین نیوتون، پیر سیمون لاپلاس، توانست حکم مشهور خود را از این قرار صادر کند که موجودی که توان محاسباتی نامتناهی و شناخت کامل به وضعیت ذرات در لحظه ای از زمان داشته باشد، می تواند از معادلات نیوتون برای پیش بینی آینده و با همان قطعیت برای فهم گذشته ی کلّ جهان هستی، استفاده کند. در واقع، همیشه این گمان وجود داشته که این ادعای مکانیکی نسبتاً بزرگ و مغرورانه است.
یکی از دلایل، این است که انسان خود را ماشین خودکاری نمی داند که مانند ساعت کار می کند و دلیل دیگر آن است که هر چند دستاوردهای نیوتون بی گمان اقناع کننده بود، اما تمام جنبه های جهان مادی را که در آن زمان شناخته شده بود، در بر نمی گرفت. مسائل حل نشده ای باقی مانده بود که باور به خودبسندگی کامل بنیادهای نیوتونی را تهدید می کرد. مثلاً، مسأله ماهیت واقعی و منشأ قانون جهانی عکس مجذور در گرانش که سر ایزاک کشف کرده بود، به قوت خود باقی بود. این موضوعی بود که خود نیوتون مایل نبود درباره ی آن فرضیه ای بدهد غیر از این، مسأله ی حل نشده ی ماهیت نور بود. در این باره، نیوتون، از لحاظ نظری، تا حدی مسأله را برخود آسان گرفته بود. در کتاب اپتیک ( 2 )، گفته بود که پرتو نور از جریانی از ذرات ریز تشکیل شده است. این نوع نظریه ی ذره ای با نگاه نیوتون به این که جهان مادی را برمبنایی اتمیستی بنگرد، سازگار بود.

ماهیت نور

تا قرن نوزدهم در فهم ماهیت نور، پیشرفتی واقعی رخ نداد. دست در آغاز آن قرن، در سال 1801 میلادی، تامس یانگ ( 3 ) مدرکی بسیار قانع کننده ارائه کرد مبنی بر این که نور، ویژگی های حرکت موجی دارد، نظری که بیش از یک قرن قبل، معاصر هلندی نیوتون، کریستین هویگنس ( 4 ) ارائه کرده بود. مشاهدات مهمی که یانگ انجام داده بود، درباره آثاری بود که ما به آنها پدیده های تداخلی می گوییم.
مثال نوعی آن، وجود نوارهای متناوب روشن و تاریک است و طنز قضیه این است که خود نیوتون آنها را در پدیده های معروف به حلقه های نیوتون نشان داده بود. چنین آثاری، مشخصه ی موج است و به طریق زیر پدید می آیند. شیوه ی ترکیب دو قطار موج به این بستگی دارد که نسبت به هم چگونه نوسان می کنند. اگر هم گام ( به زبان فیزیکدانان هم فاز ) باشند، آن گاه قله ی یکی به طرز سازنده با قله ی دیگری ترکیب می شود و این امر به حداکثر تقویت دو جانبه می انجامد. در مورد نور، جایی که این تقویت روی می دهد، نوارهای روشن به دست می آیند. اما، اگر، دو مجموعه ی موجی دقیقاً ناهم گام ( ناهم فاز ) باشند، آن گاه قله ی یکی در برخوردی متقابلاً ویرانگر با شکم موج دیگری برخورد می کند و نوار تاریک حاصل می شود. به این ترتیب، پیدایش نوارهای تداخلی روشن و تاریک، نشانه ی اشتباه ناپذیر وجود امواج است. به نظر می رسید مشاهدات یانگ مسأله را حل کرده باشند. نور، موجی است.
با گذشت قرن نوزدهم، به نظر می رسید که ماهیت حرکت موجیِ وابسته به نور روشن شده باشد. یافته های مهم هانس کریستیان اورستد و مایکل فاراده نشان داد که الکتریسیته و مغناطیس، پدیده هایی که در نگاه اول از نظر ویژگی های خود بسیار متفاوت از هم به نظر می رسند، در واقع، پیوند تنگاتنگی با هم دارند. روشی را که می شد آنها را ترکیب کرد تا نظریه ی الکترومغناطیس منجسمی حاصل شود، سرانجام جیمز کلرک ماکسول – نابغه ای که می توان به درستی او را هم ردیف نیوتن قرار داد – تعیین کرد. معادلات مشهور ماکسول، که هنوز هم مبنای بنیادی نظریه ی الکترومغناطیس هستند، در سال 1873 در اثرش با عنوان رساله ای در باب الکتریسیته و مغناطیس، یکی از آثار کلاسیک علمی تمام دوران ها، مطرح شد. ماکسول پی برده بود که این معادلات جواب های موج مانند دارند و سرعت این امواج بر اساس ثابت های معین فیزیکی به دست می آید. روشن شد که این سرعت، همان سرعت معلوم نور است!
این کشف را بزرگ ترین پیروزی فیزیک قرن نوزدهم دانسته اند. به نظر می رسید این واقعیت که نور از جنس امواج الکترومغناطیسی است، با استحکام هر چه تمام تر، جا افتاده و اثبات شده است.
ماکسول و معاصرانش، این امواج را نوسان هایی در محیط کشسان عالم گیری می دانستند که اتر نامیده می شد. او، در مقاله ای دائرة المعارفی اظهار داشته است که اتر از هر چیزی در کل نظریه ی فیزیکی، بهتر تأیید شده است.
فیزیک نیوتون و ماکسول را فیزیک کلاسیک می نامیم که در اواخر قرن نوزدهم به بنایی مستحکم تبدیل شده بود. چندان جای شگفتی نبود که کهنسالانی بزرگ مانند لرد کلوین ( 5 ) تصور می کردند که اکنون تمام ایده های بزرگ فیزیک فهمیده شده و تنها کاری که باقی مانده، یافتن جزئیات، با دقت بیشتر است. در آخرین ربع این قرن، به مرد جوانی در آلمان که درباره ی شغلی آکادمیک می اندیشید، در مورد انتخاب رشته ی فیزیک هشدار دادند. بهتر بود که شغل خود را در جای دیگری جستجو کند، زیرا فیزیک در انتهای راه بود و کارهای واقعاً ارزنده ای که می شد در آن انجام داد، اندک بود. نام این مرد جوان، ماکس پلانک ( 6 ) بود و خوشبختانه اندرزی را که به او داده بودند، نادیده گرفت.
در واقع، به تدریج ترک هایی در بنای باشکوه فیزیک کلاسیک رخ می نمود. در دهه ی 1880، مایکلسون و مورلی آمریکایی، با هدف اثبات حرکت زمین در اتر، آزمایش های هوشمندانه ای انجام دادند. نظر آن ها این بود که اگر نور در واقع موجی در این محیط باشد، آن گاه سرعت اندازه گیری شده ی آن باید به حرکت ناظر نسبت به این اتر بستگی داشته باشد. به امواج دریا نگاه کنید. سرعت ظاهری آن ها، هنگامی که از روی کشتی دیده می شوند، به این بستگی دارد که آیا کشتی همراه امواج حرکت می کند یا در خلاف جهت آن ها؛ در حالت اول، سرعت آنها ظاهراً کمتر از حالت دوم است. آزمایش برای مقایسه ی سرعت نور در دو جهت عمود بر هم طراحی شده بود. انتظار می رفت که فقط در صورتی که زمین اتفاقاً در زمان اندازه گیری نسبت به اتر در حال سکون باشد، دو سرعت یکسان باشند و این احتمال را می شد با تکرار آزمایش در چند ماه بعد، هنگامی که زمین در مدارش در جهت دیگری حرکت می کرد، حذف کرد. اما مایکلسون و مورلی نتوانستند اختلاف سرعتی را کشف کنند. حل این مسأله به نظریه ی نسبیت خاص اینشتین نیاز داشت که وجود اتر را کلاً نفی کرد. این کشف بزرگ، در داستان فعلی، مورد توجه ما نیست؛ اما باید یادآوری کرد که نسبیت، هر چند مهم و شگفت آور بود، کیفیاتی نظیر وضوح و علیت را که ویژگی فیزیک کلاسیک است، منسوخ نکرد. به همین دلیل بود که در مقدمه گفتیم فهم نسبیت خاص کمتر از نظریه ی کوانتوم، به بازنگری ریشه ای و بنیادی فکر نیاز دارد.

طیف

نخستین نشانه ی انقلاب کوانتوم، هر چند در آن زمان به این عنوان شناخته نمی شد، عملاً در سال 1885 از راه رسید. این نشانه، حاصل بازی با ریاضی معلمی سویسی به نام بالمر ( 7 ) بود. او به طیف هیدروژن فکر می کرد که مجموعه ای از خطوط رنگی فاصله دار بودند که بر اثر شکست نور به دست می آیند زمانی که نور حاصل از گاز فروزان هیدروژن از منشوری عبور کند. رنگ های مختلف با بسامدهای متفاوتِ امواج نوری مربوطه متناظرند ( بسامد، آهنگ نوسان است ). بالمر با بازی با اعداد، پی برد که این بسامدها را می توان با فرمول ریاضی نسبتاً ساده ای توصف کرد [ ر.ک. پیوست ریاضی 1 ]. در آن زمان، این کار چیزی جز کنجکاوی نبود.
سپس، سعی کردند نتیجه ی بالمر را براساس تصور آن روزگار از اتم، بفهمند. در 1897، جِی.جِی. تامسون دریافته بود که بار منفی اتم را ذرات ریزی حمل می کنند که سرانجام به آنها نام « الکترون » داده شد. فرض شد که بار مثبتی که با این بار منفی موازنه می شود، یک نواخت در سراسر اتم توزیع شده است. این تصور را « مدل کیک کشمشی » خواندند که در آن الکترون ها نقش کشمش و بار مثبت نقش کیک را ایفا می کرد. پس، بسامدهای طیفی باید با شیوه های مختلف نوسان الکترون ها در درون « کیک » با بار مثبت، متناظر باشند. اما روشن شد که به کارگیری این مدل، به طریقی که از نظر تجربی رضایت بخش باشد، بسیار دشوار است. خواهیم دید که توضیح درست کشف عجیب بالمر سرانجام با استفاده از ایده هایی بسیار متفاوت ممکن شد. در عین حال، احتمالاً به نظر می رسید ماهیت اتم ها مبهم تر از آن باشد که این مسائل، موجب نگرانی گسترده ای شوند.

فاجعه ی فرابنفش

مشکل دیگری که لرد ریلی ( 8 ) در 1900 آشکار ساخت و به آن نام « فاجعه ی فرابنفش » دادند، به طرزی آشکارتر چالش برانگیز و حیرت آور بود. این مشکل از به کارگیری ایده های کشف بزرگ دیگر قرن نوزدهم، فیزیک آماری، ناشی شده بود. در این حوزه [ فیزیک آماری ]، دانشمندان تلاش می کنند رفتار سیستم های بسیار پیچیده ای را توصیف کنند که شمار اشکال مختلف شان چندان زیاد است که نمی شود جزئیات حرکت آنها را دریافت. نمونه ی چنین سیستمی، گازی است که از ملکول های متفاوت بسیاری تشکیل شده، که هر یک، حالت حرکت مخصوص به خود را دارد. مثال دیگر، تابشی است که انرژی آن، بین بسامدهای متفاوت زیادی توزیع شده است.
دنبال کردن تمام جزئیاتی که در سیستم هایی با این پیچیدگی روی می دهد، ناممکن است؛ با این همه می توان برخی وجوه مهم رفتار کلی آنها را دریافت. زیرا رفتار کلی سیستم، از میانگین گیری تقریبی روی همه حالت های حرکت منفرد حاصل می شود. در میان این احتمالات، محتمل ترین مجموعه غلبه می کند زیرا بسیار محتمل است. کلرک ماکسول و لودویگ بولتزمان ( 9 )، بر مبنای بیشینه سازی احتمال، توانستند نشان دهند که می توان برخی خواص رفتار کلی سیستم پیچیده، نظیر فشار گازی با حجم و دمای معین را به طرزی قابل اطمینان محاسبه کرد.
ریلی روش های فیزیک آماری را در مورد این مسأله به کار برد که در تابش جسم سیاه، انرژی چگونه در میان بسامدهای مختلف توزیع می شود. جسم سیاه، جسمی است که تمام تابشی را که به آن می تابد جذب و سپس دوباره آن تابش را گسیل می کند. شاید موضوع طیف تابش که در تعادل با جسم سیاه باشد، عجیب به نظر بیاید اما، در واقع، اجسام بسیاری شبیه به جسم سیاه وجود دارند؛ بنابراین، این مبحث را هم می توان به طور تجربی و هم به طور نظری، مثلاً با مطالعه ی تابش در کوره ای که به طرزی خاص آماده شده باشد، بررسی کرد. این حقیقت ساده، معلوم شده بود که توزیع انرژی، باید فقط به دمای جسم و نه به جزئیات دیگر ساختار آن بستگی داشته باشد. ریلی با محاسبه به دست آورد که کاربرد ساده ی نظرات تایید شده فیزیک آماری به نتیجه ای فاجعه بار می انجامد. نتایج محاسبه نه فقط با طیف اندازه گیری شده انطباق نداشت، بلکه هیچ معنایی هم نداشت. محاسبه پیش بینی می کرد که با زیاد شدن بسامد، مقدار انرژی به سمت بی نهایت می رود، نتیجه ای گیج کننده که آن را « فاجعه ی فرابفنش » نامیدند. ماهیت فاجعه بار این نتیجه به قدر کافی روشن است: مراد از « فرا بنفش » به عبارتی همان « انرژی های بالا »ست. فاجعه از آن جهت روی می داد که فیزیک آماری کلاسیک پیش بینی می کند که هر درجه ی آزادی سیستم ( در این مورد، هر شیوه ی متمایزی که به آن وسیله تابش تولید می شود )، مقدار ثابت یکسانی انرژی دریافت می کند، مقداری که فقط به دما بستگی دارد. هر چه بسامد بیشتر باشد، تعداد وجوه متناظر با نوسان موجود، بیشتر است، و در نتیجه بالاترین بسامدها به راحتی پیروز می شوند و مقادیر نامحدودی انرژی را روی هم انباشته می کنند. در این جا مسأله ای پیش می آمد که به ترکی بسیار ناخوشایند در بنای باشکوه فیزیک کلاسیک ختم می شد.
در عرض یک سال، ماکس پلانک که اکنون استاد فیزیک در برلین بود، راهی شایان توجه برای رهایی از این مشکل یافت. به پسرش گفت که فکر می کند کشفی به اهمیّت کشف نیوتون کرده است. شاید این ادعای بزرگی باشد، اما پلانک فقط از حقیقتی حساب شده و سنجیده سخن می گفت.
در فیزیک کلاسیک تصور می شد که تابش به طور پیوسته به درون جسم سیاه می آید و از آن بیرون می رود، مانند آبی که به داخل اسفنج کشیده یا از آن به بیرون تراوش می شود. در جهان آرام و پیوسته ی فیزیک کلاسیک، هیچ فرض دیگری اصلاً پذیرفتنی نیست. با این همه، پلانک عکس این را پیشنهاد کرد و گفت که تابش گاه به گاه و در بسته های انرژی با اندازه ی معین، گسیل جذب می شود و محتوای انرژی هر یک از این کوانتوم ها ( نامی که به بسته های انرژی داده بودند )، با بسامد تابش متناسب است. ثابت تناسب را ثابت عمومی طبیعت نامیدند و اکنون به آن ثابت پلانک می گویند. آن را با نماد h نشان می دهند. مقدار h برحسب اندازه های تجربه ی روزمره بسیار کوچک است. به همین دلیل است که این رفتار گسسته ی تابش قبلاً جلب توجه نکرده بود؛ مانند ردیفی از نقطه های ریز بسیار نزدیک به هم، که مثل خطی توپر به نظر می رسد.
پیامد فوری این فرضیه ی جسورانه آن بود که تابش هایی با بسامد بالا فقط در مواردی می تواند گسیل یا جذب شود که شامل کوانتومی با انرژی بسیار زیاد باشند. معنای این تفرقه ی سنگین انرژی آن است که رویدادهایی با بسامد بالا در مقایسه با آن چه فیزیک کلاسیک نشان می داد، به شدت سرکوب و فروخوابانده می شوند.
رام کردن بسامدهای بالا با این استدلال، نه فقط جامعه ی فرابنفش را از میان برداشت، بلکه به فرمولی هم انجامید که با نتیجه ی تجربی به نحو فوق العاده ای توافق داشت.
بدیهی است که پلانک به سوی چیزی با معنایی عظیم روانه بود. اما اینکه این معنا چه بود، در آغاز نه خود او می دانست و نه دیگران. کوانتوم های نور را باید چقدر جدی گرفت؟ آیا آن ها ویژگی دائمی تابش بودند یا فقط موقع برهم کنش تابش با جسم سیاه دیده می شدند؟ مثل قطره های آبی که از شیر می چکند، زنجیره ای از کوانتوم های آبی تشکیل می دهند، اما به محض آنکه در حوضچه می افتند، با بقیه ی آب در می آمیزند و هویت فردی خود را از دست می دهند.

اثر فوتوالکتریک

گام بعدی پیشرفت را مرد جوانی برداشت که وقتی به عنوان بازرس درجه ی سوم در دفتر ثبت اختراعات برن کار می کرد، وقت زیادی داشت. این جوان، آلبرت اینشتین نام داشت. در 1905، سال معجزه آسای ( 10 ) آلبرت اینشتین، او سه کشف بنیادی انجام داد. یکی از آن ها، گام بعدی در شرح و بسط داستان نظریه ی کوانتوم از کار درآمد. اینشتین در آن زمان، درباره ی خواص گیج کننده تابش، در نتیجه ی کشف اثر فوتوالکتریک، پژوهش می کرد. پدیده فوتوالکتریک، یعنی کنده شدن الکترون های سطح فلز، در اثر تابش باریکه ی نور.
فلزات الکترون هایی دارند که می توانند در داخل آنها حرکت کنند ( حرکت این الکترون ها همان چیزی است که جریان برق را برقرار می کند )، اما این الکترون ها، برای جدایی کامل از فلز، انرژی کافی ندارند. بنابراین، وجود اثر فوتوالکتریک، اصلاً شگفت آور نبود. تابش، انرژی را به الکترون های گیر افتاده در درون فلز منتقل می کند و الکترون، با گرفتن انرژی کافی، می تواند از کمند نیروهایی که آن را در بند نگه داشته اند، بگریزد. در دیدگاه کلاسیکی، الکترون ها با حرکات موجی نور تحریک می شوند و برخی از آنها ممکن است به اندازه ی کافی مختل شوند تا لق بخورند و از فلز کنده شوند. براساس این تصویر، انتظار می رفت که احتمال این اتفاق، به شدّتِ باریکه نور بستگی داشته باشد، زیرا شدت باریکه، محتوی انرژی آن را تعیین می کند، اما انتظار نمی رفت که این امر به بسامد تابش وابسته باشد. اما در عمل، آزمایش ها رفتاری را نشان دادند که دقیقاً برعکس بود. در بسامدهایی کمتر از بسامد بحرانی معینی، شدت باریکه هر چقدر هم که زیاد بود، هیچ الکترونی کنده نمی شد؛ و در بسامدهای بالاتر از آن آستانه، حتی باریکه ای بسیار ضعیف هم می توانست چند الکترون را بیرون براند.
اینشتین پی برد که اگر باریکه ی نور را جریانی از کوانتوم های نوری پایدار تصور کنیم، این رفتار شگفت آور را فوراً درک می کنیم. الکترون از سطح فلز کنده می شود چون یکی از این کوانتوم های نور به آن برخورد کرده و تمام انرژی خود را به آن داده بود. براساس نظر پلانک، مقدار انرژی در آن کوانتوم نور، در تناسب مستقیم با بسامد قرار داشت. اگر بسامد بسیار پایین می بود، انرژی کافی وجود نداشت که در صورت انتقال در برخورد الکترون بتواند فرار کند. اما اگر بسامد از مقدار بحرانی معینی تجاوز می کرد، انرژی کافی برای فرار الکترون وجود داشت. شدت باریکه فقط نشان می داد که باریکه در هر لحظه، حاوی چند کوانتوم نور است و بنابراین، چند الکترون در برخورد مشارکت دارند و کنده می شوند. افزایش شدت، نمی تواند انرژی انتقال یافته در برخورد را تغییر دهد. جدی گرفتن وجود کوانتوم های نور ( که بعداً « فوتون » نامیده شدند )، راز اثر فوتوالکتریک را توضیح داد. اینشتین جوان، کشف بزرگی کرده بود. سرانجام هم جایزه ی نوبل را به همین دلیل به او دادند. فرهنگستان علوم سوئد، دو کشف بزرگ دیگر او در 1905 – نسبیت خاص و اثبات قانع کننده ی وجود ملکولها – را هنوز خیلی نظری تر از آن می دانست که به آنها جایزه ای بدهد!
تحلیل کوانتومی اثر فوتوالکتریک، پیروزی بزرگی برای فیزیک بود، اما به نظر می رسید این پیروزی بدتر از شکست است. این بخش فیزیک، اکنون با بحرانی جدی روبرو شده بود. چگونه می شد آن همه بینش های قرن نوزدهمی در مورد ماهیت موجی نور را با این ایده های جدید آشتی داد؟ روی هم رفته، تابش به صورت موجی منتشر می شود، در صورتی که کوانتوم نور، ذره مانند و نوعی گلوله ی کوچک است. چگونه می شد که هم زمان، هر دو این ایده ها درست باشند؟ تا مدت طولانی فیزیکدانان به اجبار با تناقض آزاردهنده ی ماهیت موجی / ذره ای نور می ساختند. با تلاش برای انکار هر کدام از نگرش های یانگ و ماکسول یا پلانک و اینشتین، هیچ پیشرفتی حاصل نمی شد. پژوهشگران ناگزیز شدند با چنگ و دندان به دامن تجربه بیاویزند، هر چند نمی توانستند معنایی از آن آزمایش ها درآورند. ظاهراً بسیاری از آنان با اتخاذ روش آمیخته به ترش چشم در بستن، چنین کردند. اما خواهیم دید که سرانجام داستان پایان خوشی داشت.

هسته ی اتم

در این میان، توجه از نور به اتم ها معطوف شد. در 1911، ارنست رادرفورد و همکاران جوانش، در منچستر، روی این موضوع مطالعه می کردند که پرتابه های کوچک با بار مثبت به نام ذرات α ( آلفا )، وقتی به سمت لایه ی نازکی از طلا پرتاب می شوند. چگونه رفتار می کنند. بسیاری از ذرات α αبدون آن که چندان تحت تأثیر قرار گیرند. [ از لایه ی نازک طلا ] عبور می کردند؛ اما با شگفتی فراوان آزمایشگران، برخی از ذرات α به طور کامل منحرف شده و بر می گشتند. رادرفورد بعدها گفت که این قضیه، آن قدر شگفت آور بود که انگار گلوله ی توپ چنگی 15 اینچی، پس از برخورد با دستمال کاغذی، پس زده شده باشد. این نتیجه، در مدل کیک کشمشی اتم اصلاً نمی توانست معنایی داشته باشد. ذرات α باید مانند گلوله ای از کیک عبور کنند. رادرفورد فوراً پی برد که برای حل معما فقط یک راه وجود دارد. بار مثبت اتم های طلا، که ذرات α با بار مثبت را دفع می کند، نمی توانست مانند کیک کشمشی گسترده باشد، بلکه باید در مرکز اتم متمرکز باشد. برخورد نزدیک با چنین بار متمرکزی می توانست ذره ی α را کاملاً منحرف کند. رادرفورد که فیزیکدان تجربی شگفت انگیزی بود، اما ریاضی دان قابلی نبود، با مراجعه به کتاب درس قدیمی مکانیک خود که از دوران دانشجویی اش در زلاندنو برایش مانده بود، توانست نشان دهد که این ایده، یعنی تمرکز بار مثبت در مرکز اتم که الکترون ها دور آن می چرخند، کاملاً با رفتار مشاهده شده مطابقت دارد. مدل کیک کشمشی بلافاصله جای خود را به مدل « منظومه شمسی » اتم داد. رادرفورد و همکارانش هسته ی اتم را کشف کرده بودند.
موفقیت بزرگی بود، اما در نگاه نخست به نظر می رسید که این پیروزی نیز، بدتر از شکست است. در واقع، کشف هسته، فیزیک کلاسیک را به عمیق ترین بحران خود تا آن زمان فرو برد. اگر الکترون ها در اتم دور هسته می چرخند، پس همواره جهت حرکتشان را عوض می کند. پس طبق نظریه ی الکترومغناطیس کلاسیک، باید در این فرآیند، مقداری از انرژی خود را تابش کنند. در نتیجه باید پیوسته [ انرژیشان کم شده و ] به هسته نزدیک تر شوند. این نتیجه واقعاً فاجعه بار است، چون معنی اش این است که اتم ها ناپایدارند. زیرا الکترون های تشکیل دهنده ی آنها، به طور مارپیچی به سوی هسته می روند و روی آن سقوط می کنند. به علاوه، در این واپاشی، باید طیف پیوسته ای از تابش گسیل شود در حالی که این تابش، هیچ شباهتی با طیف بسامدهای گسسته بالمر ندارد. بعد از 1911، فقط آن طور نبود که انگار در بنای باشکوه فیزیک کلاسیک ترک هایی افتاده، بلکه گویی زلزله های آن را زیرورو کرده است.

اتم بور

اما، مانند مورد پلانک و فاجعه ی فرابنفش، فیزیکدانی نظری، کمر به نجات از ورطه ی بحرانی بست و با پیشنهاددادن نظریه ای جسورانه و اساساً نو، موفقیت را از چنگال های شکست بیرون کشید. او جوانی دانمارکی به نام نیلزبور بود که در منچستر در کنار رادرفورد کار می کرد. بور در 1913 پیشنهادی انقلابی ارائه داد. پلانک ایده ی کلاسیک فرآیند پیوسته ای که در آن انرژی به جسم سیاده وارد و از آن تراوش می کرد را با مفهوم گسسته ای عوض کرده بود که در آن انرژی به صورت کوانتومی گسیل یا جذب می شد. به زبان ریاضی، منظور این بود که کمیت انرژی که قبلاً تصور می شد هر مقدار ممکنی را می پذیرد، فقط می تواند مجموعه ای از مقادیر مشخص ( 1، 2، 3، ... برابر بسته ی مربوط ) را بگیرد. کمیت پیوسته، جای خود را به کمیت گسسته داده بود. بور پی برد که شاید این واقعیتی بسیار کلی، در نوع فیزیک جدیدی باشد که به آهستگی به دنیا می آید. بور، اصولی مشابه با آن چه که پلانک در مورد تابش به کار برده بود، در مورد اتم ها به کار گرفت. در فیزیک کلاسیک فرض می شد الکترون هایی که دور هسته می چرخند، این کار را در مدارهایی انجام می دهند که شعاع شان هر مقداری می تواند باشد. اما بور پیشنهاد داد که این امکان پیوستگی، جای خود را به استلزام گسسته ای بدهد که براساس آن، شعاع مدارها فقط می تواند مجموعه ای از مقادیر گسسته باشد که می توان آنها را شمرد ( مدار یکم، دوم، سوم، .. ). او، با استفاده از نسخه ای که شامل ثابت پلانک، h ، بود، نظریه ای قطعی مطرح کرد که این شعاع ها چه مقداری دارند. ( این پیشنهاد به تکانه ی زاویه ای الکترون، یعنی حرکت چرخشی الکترون که واحدش همان واحد فیزیکی h است، مربوط می شد ).
این نسخه، دو پیامد داشت. یکی بازگشت خاصیت مطلوب پایداری اتم ها بود. یعنی وقتی الکترون در حالت متناظر با پایین ترین شعاع مجاز قرار می گرفت ( که حالت پایین ترین انرژی نیز بود )، جایی پایین تر و نزدیک به هسته وجود نداشت که برود و دیگر نمی شد بیشتر از آن، انرژی از دست بدهد. الکترون می توانست با از دست دادن انرژی، از یک حالت شعاع بالاتر، به این پایین ترین حالت برسد. بور فرض کرد که وقتی این اتفاق می افتد، انرژی اضافی به صورت یک تک فوتون به بیرون می تابد. دومین پیامد حاصل از جمع بندی این پیشنهادها، مستقیماً به حدس جسورانه ی بور، یعنی توضیح فرمول بالمر برای خطوط طیفی، انجامید. پس از تقریباً 30 سال، این دستورالعمل عددی رازآمیز از وضعیتی توضیح ناپذیر به خاصیت معقول نظریه ی جدید اتم ها تغییر یافت. تیزی خطوط طیفی را بازتاب گسستگی ای دانستند که کم کم به عنوان مشخصه ی بینش کوانتومی شناخته می شد. حرکت مارپیچی پیوسته که بر مبنای فیزیک کلاسیک انتظارش می رفت، جای خود را به پرش کوانتومی آشکارا گسسته ای از مداری با یک شعاع مجاز به مداری دیگر با شعاع مجاز پایین تر داده بود.
اتم بور پیروزی بزرگی به حساب می آمد. اما تلاشی الهام گونه بود برای اصلاح آن چه هنوز هم از بسیاری جهات فیزیک کلاسیکی بود. در واقع، کار پیشتازانه ی بور، وصله ای اساسی بود که به عمارت ترک برداشته فیزیک کلاسیک زده می شد. تلاش برای گسترش بیشتر این مفاهیم پس از کوتاه زمانی به دشواری ها و ناسازگاری ها انجامید. این تلاش ها که بعدها آنها را « نظریه ی کوانتومی قدیم » نامیدند، ترکیب دشوار و ناسازگار ایده های کلاسیکی نیوتون و ماکسول با دستورالعمل های کوانتومی پلانک و اینشتین بود. کار بور گامی حیاتی در تاریخ رو به آغاز فیزیک کوانتوم بود. اما نمی توانست چیزی بیش از ایستگاهی بین راهی باشد که به سوی « نظریه ی جدید کوانتوم »، یعنی تبیین کاملاً یکپارچه و منسجم این ایده های عجیب می رفت. قبل از رسیدن به این مرحله، باید پدیده ی مهم دیگری کشف می شد که باز هم بر ضرورت گریزناپذیر یافتن راهی برای دست و پنجه نرم کردن با تفکر کوانتومی، تأکید بیشتری می گذاشت.

پراکندگی کامپتون

در 1923 آرتور کامپتون، فیزیک دان آمریکایی، پراکندگی پرتوهای X ( تابش الکترومغناطیسی با بسامدی بالا ) به وسیله ی ماده را بررسی کرد. او پی برد که بسامد تابشی که پراکنده می شود، [ نسبت به تابش اولیه که روی ماده فرو می آید ] تغییر می کند. بر منبای تصویر موجی، چنین چیزی ناممکن بود. تصویر موجی نشان می داد که دلیل فرآیند پراکندگیآن است که الکترون ها در اتم ها انرژی را از امواج تابیده جذب و دوباره گسیل می کنند و این امر بدون تغییری در بسامد روی می دهد. اما، بر مبنای تصویر فوتونی، می شد نتیجه را به آسانی فهمید. آن چه روی می داد، برخوردی شبیه برخورد « توپ بیلیارد » بین الکترون و فوتون بود، که در آن، فوتون مقداری از انرژی اش را به الکترون می داد. براساس دستورالعمل پلانک، تغییر انرژی همان تغییر بسامد است. به این ترتیب، کامپتون توانست تبیینی کمّی از مشاهدات خود ارائه کند و بنابراین، قانع کننده ترین مدرک را، تا آن زمان، برای خاصیت ذره مانند تابش الکترومغناطیسی ارائه کرد.
سردرگمی هایی که رشته کشف ها و یافته های مورد بحث در این فصل با آنها درافتادند، پس از کوتاه زمانی مورد توجه و بررسی قرار گرفتند. ظرف دو سال پس از کار کامپتون، پیشرفت های نظری اساسی و دیرپایی رخ داد. سپیده ی نظریه ی کوانتومی نوین بردمید.

پي‌نوشت‌ها:

Principia
Opticks
Thomas Young
Christian Huygens
Lord Kelvin
Max Planck
Balmer
Lord Rayleigh
Ludwig Bolzmann
Annus mirabilis

منبع مقاله:
پاکینگورن، جان؛ ( 1388 )، نظریه ی کوانتوم، ترجمه ی ابوالفضل حقیری، تهران: بصیرت، چاپ دوم