گوتینگن و فیزیک: فرانک، بورن، وپوهل (1)

چکیده: بحث این مقاله دربارة سهم عمده‌ای است که دانشگاه گوتینگن در پیدایش مکانیک کوانتومی، بررسی نقش الکترون در فرآیند‌های فیزیکی یا شیمیایی، و بنیان‌گذاری فیزیک حالت جامد داشته است.

1. درآمد

بعد از جنگ جهانی اول دانشگاه گوتینگن جایگاه مهم و بسیار معتبری برای پژوهش و آموزش فیزیک بود و شهرت خود را از این بابت به‌ویژه مرهون یک نفر بود: جیمر فرانک، ماکس بورن، روبرت پوهل (که بعد‌ها روبرت ویچارت پوهل نامیده شد).
در این دانشگاه از پیش برای چنین تحولات نویدبخشی آمادگی خوبی وجود داشت، در ریاضیات کارل فردریک گأوس پایة خوب و محکمی گذاشته بود، و در آغاز قرن بیستم گروه سه نفری فلیکس کلاین، داوید هیلبرت، و هرمان مینکوفسکی کار او را ادامه دادند، این سه ریاضی‌دان برجسته در پیشرفت فیزیک نیز سهیم بودند.
در خود فیزیک ادوارد ریکه و والد مارفویگت دو سنت را به هم پیوند دادند: ریکه میراث ویلهلم وبر را به همراه آورد و فویگت که قبلاً به خاطر پژوهش در خواص بلور‌ها شهرت داشت، به فیزیک نظری یه عنوان بخشی از برنامة درسی در گوتینگن رسمیت بخشید.
سال‌های حوالی 1900 شاهد پیشرفت و گسترش همکاری میان صنعت، دولت، و پژوهش‌های علمی در آلمان بود. دانشگاه گوتینگن توانست از برکت استعداد خاصی که کلاین در سازماندهی داشت از این فرصت بهره بگیرد. پول‌هایی که از منابع خصوصی توسط گوتینگرفرای نیگونگ (انجمن ترویج فیزیک و ریاضی کاربردی گوتینگن) جمع آوری می‌شد و سیاست آینده‌نگر دولت روس نیز پشتیبان بود به طور گسترده‌ای در دسترس مؤسسات مختلف فیزیک محض و کاربردی قرار گرفت. مؤسسة فیزیک گوتینگن که در سال 1905 برپا شد، تجهیزات آزمایشی مناسب در اختیار داشت و بنابراین به محل مطلوبی برای مطالعات پشرفتة فیزیک تبدیل شد. پاؤل دروده، آرنولد زومرفلد، یوهانس اشتارک، ماکس بورن، و تئودور فون‌کارمان همه در گوتینگن دانشجو بودند.
گوتینگن برای دعوت از مدرسان مشهور پول کافی داشت و در سال 1913 کنگره ای در‌باة نظریة جنبشی ماده در آنجا برپا شد. در میان سخن‌رانان، یک فیزیک‌دان جوان مورد توجه خاصی قرار گرفت. می‌گویند که هیلبرت دربارة او گفته بود:" این جوان برجسته را باید در گوتینگن نگه داشت". یک کرسی دیگر فیزیک نظری در خواست شد که دولت با آن موافقت کرد و پیتردبی (همان جوان برجسته) به عضویت هیئت علمی گوتینگن در‌آمد. به همت او بود که دانشگاه در فیزیک و ریاضی موقعیتی ممتاز و قابل مقایسه با برلین به دست آورد. هرچند آغاز جنگ اول جهانی فعالیت‌های دبی را کندتر کرد، با این حال او توانست روش دبی ـ شرر را برای کشف ساختار بلور با استفاده از پرتوهای Xابداع کند.
مرگ ریکه و فویگت و عزیمت دبی به زوریخ باعث شد که سه کرسی در فیزیک محض خالی شود و پوهل، بورن، و فرانک امکان استخدام بیابند. این سه تقریبا هم سن و با هم دوست بودند، ولی در پژوهش و راهنمایی پژوهندگان و تدریس روش‌ها سلیقه‌های متفاوتی داشتند. این سه تن بودند که توجه جوانان بااستعداد را برای مطالعات پیشرفته و توجه فیزیک‌دانان علاقه‌مند را برای دیدارهای کوتاه یا طولانی از سراسر دنیا به گوتینگن جلب کرد. دانشجویان، دستیاران، استادان، و بازدیدکنندگان برجسته گردهم آمدند و یک اجتماع بهم پیوستة پرشور و شوق و با نشاط به وجود آوردند.
در گوتینگن ‌سایر رشته‌های علوم به شیوه‌ای بسیار مساعد فیزیک را تکمیل می‌کردند. هیلبرت همواره به فیزیک علاقه داشت، جانشین او، هرمان‌وایل نیز چنین بود؛ کارهای ریچاردکورانت در ریاضی در دسترس فیزیک‌دانان و برای ایشان مفید بود و کارل‌رونگه نمایندة ریاضیات کاربردی، طیف شناس نیز بود. به علاوه، امیل‌ویچرت بنیان گذار ژئوفیزیک در آلمان، در آغاز فیزیک‌دان بود؛ هانس‌کینله رصد خانه را به آزمایشگاه اختر فیزیک تبدیل کرد و لودویگ‌پرانتل نمایندة مکانیک عملی و گوستاؤهر‌گلوتز که جانشین رونگه شده بود، به فیزیک بنیادی علاقه‌مند بودند. ویکتورمونتیز گلدشمیت به تحقیق دربارة بلور‌ها از دیدگاه فیزیکی پرداخت و آرنولداویکن دربارة رابطة میان فیزیک و شیمی تحقیق می‌کرد. در خلال دهة 1920 ، مدرسان و دانشجویان فیزیک در گوتینگن در یکی از مراحل مهم تاریخ علم شرکت جستند: تفکر در بارة زمینة اتمی پدیده‌های قابل مشاهده و ملموس، مفاهیم تازه‌ای را مطرح کرد و زبان جدیدی را پدید آورد؛ چنین حادثه‌ای را نمی‌توان در هر عصری تجربه کرد.
متأسفانه در سال 1933 روز‌های خوش و باشکوه به سر آمد و فرانک، بورن، کورانت، فویگت، و گلدشمیت آلمان را ترک کردند.

2. مکتب پوهل

هنگامی که پوهل در سال 1916 از برلین به دانشگاه گوتینگن دعوت شد، با توجه به مقالاتی که منتشر کرده بود، هیچ‌کس حدس نمی‌زد که روزی بتوان از او به عنوان یکی از بنیان‌گذاران فیزیک حالت جامد یاد برد. در 1906 او در رسالة دکتری‌اش راجع‌به تخلیة گاز‌ها بحث کرده بود و سپس (همراه با پینربنگشایم) به بررسی‌های متعددی در زمینة گسیل الکترون به خلأ، از فلزاتی که نور بر آن‌ها تابیده باشد، دست زد.
اگرچه در گوتینگن، آزمایشگاه به قدر کافی وجود داشت اما تجهبزات آزمایشگاهی قدیمی بودند. تلمبه‌های خلاء قوی وجود نداشت، هوای مایع در دسترس نبود، و در آن دوران تورم شدید، امید به تغییر شرایط وجود نداشت. بنابراین پوهل تصمیم گرفت رشتة تازه‌ای از پژوهش اختیار کند. او دوباره به ‌کار در زمینة گسیل الکترون بر اثر تابش بازگشت، اما تصمیم گرفت به جای خلاء بلوری بنشاند تا ‌بتواند آزاد شدن و حرکت الکترون‌ها در بلور را مطالعه کند. شاید هم رسالة دکتری برنهارت‌گودن اولین همکارش در گوتینگن، او را به این مسیر کشاند. مضمون این رساله را که دربارة رنگزدایی بلور‌های CaF2 توسط تابش حاصل از محیط‌‌های رادیواکتیو بحث می‌کرد، ریکه پیشنهاد کرده بود. پس از آنکه ریکه در سال 1916 در گذشت، گودن این کار را زیر نظر پوهل ادامه داد و در سال 1919 به پایان رساند.
پوهل بلافاصله بعد از فارغ التحصیل شدن گودن با وی شروع به کار کرد و به فعالیت در حوزة جدید پژوهش پرداخت. بیست و چهار مقاله که همه بدون استثنا دربارة رسانندگی فتوالکتریکی بلور‌ها بود، به سرعت منتشر شد. وقتی که گودن در سال 1926 گوتینگن را به قصد دانشگاه اولانگن ترک کرد، انتشار این رشته مقالات پایان یافت. بعضی از نتایج مهم این مطالعات از این قرار است: (1) الکترون‌های آزاد می‌توانند حتی در بلور‌های عایق هم حرکت کنند؛ (2) الکترون‌های آزاد توسط جذب نور در مخلوط خارجی (در بلور‌های با ضریب شکست کوچک) دست یافتنی‌اند (یک الکترون به ازای هر کوانتوم نور)؛ (3) جریان‌های الکتریکی با حامل‌های بار که فقط از درون بلور سرچشمه می‌گیرند با جریان‌هایی با حامل‌های بار که به الکترودها نفوذ می‌کنند تفاوت دارند ("جریان اولیه" و"جریان ثانویه"). همة نتایج اساسی در مقالات گودن و پوهل منتشر شد و تایید آن‌ها به عهدة همکاران معدود ایشان واگذار شد.