اگر امروز اتفاقاً از یک جوان ژاپنی درباره ی مردان بزرگ کشورش در طول قرنها پرسش شود، او احتمالاً از ده نفر نام خواهد برد که یکی از آنها هیدکی یوکاواست. البته شایستگی علمی به تنهایی این مقام ممتاز را توجیه می کند، اما برای دست یافتن به افتخاری همتای امپراتور، چیزی بیشتر از آن لازم است. در واقع، یوکاوا نماد ژاپن معاصر است؛ کشوری که ترکیب سنت و ترقی را تحقق بخشیده است. یوکاوا در خاطراتش می نویسد «خانه ی ما شبیه یک معبد است» کمی دورتر اضافه می کند «آیا می توانستم پیش بینی کنم که در شکل دادن به فیزیک نوین سهیم خواهم بود؟» اعطای جایزه نوبل فیزیک به یوکاوا در 1947، در سیاه ترین سالهای تاریخ ژاپن نوین، پس از شکست 1945، برای جوانان ژاپنی آن دوره نشانه ای از حق شناسی بین المللی هم بود.
یوکاوا در 23 ژانویه ی 1907 در توکیو، در خانواده ای دانشگاهی متولد شد ــ پدرش استاد زمین شناسی دانشگاه کیوتو بود ــ یوکاوا دلش می خواست «کاشف یک سرزمین ناشناخته باشد، آباد کننده ی یک کشور نو». او دوره ی نوجوانیش را در کیوتو گذراند و تحصیلات عالی را در دانشگاه سلطنتی ادامه داد. پس از شش سال تدریس در دانشگاه اوزاکا، به کیوتو بازگشت و بیشتر ایام زندگیش را در آنجا به سر برد.
پی یر لوتی (1)، سیاح معروف درباره ی شهر کیوتو می نویسد: «در شهر خدایان از هیچ چیز تعجب نمی کنند». کیوتو از سال 794 پایتخت ژاپن شد، در زمان جنگ جهانی دوم به برکت مداخله ی کمیته ای از دانشمندان و تاریخدانان امریکایی به خاطر گنجینه ی آثار هنریش، از آسیب جنگ در امان ماند. شهر کیوتو که اطراف آن را تپه هایی فراگرفته است، بر روی دریاچه ی قدیمی بنا شده است. در دو ساحل رود کامو (2) بولوارهای وسیع طولی و خیابانهای عرضی به سبک شهرهای قدیمی چینی بنا شده است. کیوتو مرکز امپراتوری بود، با وجود این، پس از انتقال دارالحکومه ی شوگونی در اوایل قرن هفدهم به اُدو، آن طور که رادیر کیپلینگ (3) توصیف می کرد، پایتخت «خوشبخت تن آسا، شکوهمند» کمی خواب آلود بوده است. در این شهر، بیش از 200 معبد، صومعه، نمازخانه، موزه و قصر از جمله قصر قدیمی سلطنتی وجود دارد. در برابر برخی از معابد، ردیفی از «توری (4)» چوب سرخ: ستونهای کیش شینتویی برپا شده است. در مدخل اماکن مذهبی، مانند مدخل منازل مسکونی، رسم بر این است که کفشها را از پا دربیاورند. درون خانه ی ژاپنی، با حصیر «تاتامی (5)»، درهای کشویی) اورُسی) و قسمت شاه نشین ــ که محراب را تداعی می کندــ با دسته گلی کوچک و طوماری خطی تزیین شده است. قصر سلطنتی مثل بسیاری از معابد، درون باغهای پهناور بنا شده است. فیزیکدان آینده ی ما در سالهای تحصیلیش انشای کوتاهی به زبان فرانسه با این مضمون نوشته است: «بهترین ایام سال، پاییز است، برگهای پژمرده، گذرگاههای مارپیچ را که از میان درختان کهنسال قصر می گذرند، پوشانده است؛ برگهای خشک، زیر سندلهایم خرد می شوند؛ این صداهای سبک چونان پژواکی فراموش ناشدنی در ضمیرم حک شده اند.»
هیدکی، که در 1923 در 16 سالگی وارد دبیرستان شده، با وجود استعداد فراوان در ریاضیات به فیزیک علاقه مند می شود. او به سهولت، همه ی مسائل کتابهای کلاسیش را حل می کند، اما در کارهای دستی چندان مهارتی ندارد. یوکاوا دلیل علاقه اش را به فیزیک نظری بارها توضیح داده است. اهل معاشرت نبوده است و به عرصه ای کشانده شده است که در آن، تماسهای انسانی نقشی اصلی ندارند. علوم اجتماعی برایش جالب نبودند؛ او موضوعاتی را ترجیح می داد که می توانست به تنهایی رویشان کار کند.
همین که می تواند به زبان آلمانی چیز بخواند، کتابی در فیزیک نظری از ماکس پلانک را مطالعه می کند و درمی یابد که در فهمیدن آن مشکلی ندارد. این نگرش جدید فیزیک، او را شیفته می کند. او درسهای مکانیک را هم دنبال می کند. هیدکی اوگاوا تصمیم می گیرد وارد دانشگاه کیوتو بشود، که پدرش در آنجا رئیس دانشکده شده بود. در آنجا او یکی از هواداران پروپا قرص فیزیک کوانتومی می شود.
در پایان تحصیلات و اخذ دیپلم دانشگاهی به عنوان مربی بدون حقوق در دانشگاه سلطنتی کیوتو متصدی تدریس مکانیک کوانتومی می شود. در سال 1932 که نوترون و پوزیترون (الکترون مثبت) کشف می شود، او با دوشیزه سُومی (6)، دختر دکتر یوکاوا اهل اوزاکا ازدواج می کند.
مربی جوان در تحقیقاتش همان قدر که از شناختهایش در ریاضیات و در فیزیک استفاده می کند، از معرفت شهودی خود نیز که از حکمت فلاسفه ی قدیمی خوشه چینی کرده بهره می گیرد. تا آنکه روزی یوکاوا به استعاره ی زیر برمی خورد که از فصل 17 طغیان پاییز، از کتاب چوانگ ــ تسه (7) استخراج شده و به نظرش بازتاب تفسیری است درباره ی اصالت عقل و اصالت تجربه در علوم. چه چیز را می توان مشاهده کرد؟ چه چیز را می توان بررسی کرد؟ «روزی چوانگ ــ تسه در رودخانه ی هائو (8) با هویی ــ تسه (9)، حکیمی که اهل مجادله بوده گردش می کرده. به هنگام عبور از روی یک پل به هویی ــ تسه می گوید:
ــ نگاه کنید به ماهیهایی که روی آب ظاهر می شوند و به راحتی شنا می کنند. چنین است که ماهیان خوشبختند.
بلافاصله هویی ــ تسه پاسخ می دهد:
ــ شما که ماهی نیستید، از کجا می دانید که ماهیها این چنین خوشبختند؟
چوانگ ــ تسه پاسخ می دهد، شما من نیستید، چگونه می دانید که من نمی دانم خوشبختی ماهیها چیست؟
هوئی ــ تسه ظفرمندانه پاسخ می دهد، البته، من نمی دانم که شما چه می دانید و چه نمی دانید. برهمین قیاس، شما هم که ماهی نیستید و در نتیجه نمی دانید که ماهیها چه احساسی دارند. حالا پاسختان چیست؟
فیلسوف می گوید، صبر کنید. برگردیم به پرسش اوّلتان. شما از من پرسیدید، چگونه می توانم بدانم که ماهیها خوشبختند. پس شما قبول می کنید که من آن را می دانستم. زیرا شما از من می پرسید: از کجا آن را می دانستم؟ خیلی ساده، با نگاه کردن به آنها از بالای پل، دانستم که ماهیها خوشبختند».
این جمله ی آخری به کمک مفهوم نگار به صورت زیر نوشته می شود:
آیا نمی توان این سه «حرف» را کلمه ی ساده مکاشفه تعبیر کرد؟
حالا به دنیای فیزیک برگردیم. پیش از 1932 از هسته ی اتم چه می دانستند؟ تصور می شد که هسته از پروتونها و از الکترونها تشکیل شده است. اینها تنها «ذرات بنیادین» شناخته شده تا آن زمان بود. اتم هیدروژن که کوچک ترین و ساده ترین اتم است، فقط یک پروتون دارد. بار الکتریکیش مثبت است و جرمش در حدود 2000 برابر جرم الکترون است. در آن زمان پذیرفته شده بود که هسته های سنگین ممکن است از هسته های سبک تر تشکیل شوند. چرا الکترونها ضرور بودند؟ تنها به این خاطر که بارهای الکتریکی منفی برای جبران جزئی بار الکتریکی مثبت پروتونها در هسته ی عناصری غیر از هیدروژن ضرور بودند؛ بدین ترتیب، احتمال می رفت که هسته ی کربن از 12 پروتون و 6 الکترون تشکیل شده باشد. علاوه بر این، برخی از هسته های سنگین رادیواکتیو مثل رادیوم D، یک محصول رادیوم، خودبه خود در رادیواکتیویته ی بتا الکترونهایی گسیل می کرد.
با این همه، این توصیف با مشکلاتی مواجه شد که پس از کشف نوترون به توسط جمس چادویک (10) در آغاز 1932، در پی آزمایشی که فردریک و ایرن ژولیو ــ کوری انجام داده بودند، رفع شد. توصیف تازه ای از هسته ــ متشکل از پروتونها و نوترونها ــ لازم آمد، که توصیف امروزی ما از هسته است. قبل از همه، هایزنبرگ تصور کرد نوترون هم باید خودش یک ذره ی بنیادین باشد: پروتون و نوترون که تقریباً هم جرمند، دو نوع از یک جنس ذره اند که نوکلئون نامیده شده است.
آنگاه می شد «انرژی بستگی» یک هسته را، انرژی لازم برای جدا کردن آن از همه ی ذرات بنیادیش تعریف کرد. با مقایسه ی ترکیب، اندازه ها و انرژی بستگی سبک ترین هسته ها، یعنی هسته ی هیدروژن سنگین ــ دئوتون ــ و هسته ی هلیوم چهار ــ که ذره ی آلفا هم نامیده می شود ــ، فیزیکدان امریکایی مجاری تبار، اوژن ویگنر (11) ثابت کرد که نوترونها و پروتونها در یک هسته باید بین خودشان با قدرتهایی متمایز از قدرتهای الکترومغناطیسی، که پیوندهای شیمیایی را تأمین می کنند، پیوند داشته باشند. برخلاف قدرتهای الکترومغناطیسی، قدرتهای هسته ای باید خیلی نیرومند و بُرد آنها باید خیلی کوتاه بوده باشد، فاصله ای کمتر از (13ــ) 10 سانتیمتر یعنی ده میلیونیم میلیونیم سانتیمتر. ابتدا فکر کردند که قدرتهای مهم، آنهایی هستند که میان نوترونها و پروتونها برهم کنشی دارند، و این قدرتها، در تخمین اولیه، برای توضیح چسبندگی هسته های سبک کافی بودند. و بدین ترتیب از نظریه ای دفاع می شد که به موجب آن، هسته های سبک پایدار عموماً به تعداد مساوی پروتون و نوترون دارند. برای هسته های سنگین، علاوه بر قدرتهای هسته ای باید قدرت دفع الکتروستاتیکی (= دفع کولنی) میان پروتونهای همبار را هم به حساب آورد، که به موجب آن، هسته های پایدار سنگین تعداد نوترونهایشان بیشتر از پروتون است.
هایزنبرگ پیشنهاد کرد که عمل قدرتهای هسته ای به عنوان مبادله ی بار الکتریکی میان نوترون و پروتون ملاحظه شود، شبیه آنچه که در یک مولکول می گذرد. بدین ترتیب، اگر یک پروتون با انتقال بار الکتریکی مثبتش به یک نوترون مجاور، خودش به یک نوترون مبدل می شود، نوترون مجاور هم به نوبه ی خودش به یک پروتون مبدّل خواهد شد. به همین ترتیب، اگر یک نوترون با انتقال بار الکتریکی منفی به یک پروتون مجاور، خودش به یک پروتون تبدیل می شود، پروتون مجاور هم با انتقال بار الکتریکیش به نوترون مبدل خواهد شد. در این فرایند مبادله، جرم تغییر نمی کند.
در چهارچوب چنین توصیفی، گسیل الکترونهای مشاهده شده در رادیواکتیویته ی بتا را چگونه باید تبیین کرد؟ فیزیکدان ایتالیایی انریکو فِرمی پاسخ این پرسش را در اواخر سال 1933 پیدا کرد. الکترون در لحظه ای که گسیل می شود در عین حال از یک ذره ی خنثی و از جرمی صفر ــ یا فوق العاده کوچک ــ نوترینو، تشکیل شده است، که وجودش را پائولی در 1930 زمانی که استاد دانشگاه زوریخ بود، پیش بینی کرده بود؛ به قسمی که یک نوترون می تواند با گسیل یک الکترون و یک نوترینو به یک پروتون تبدیل شود. در رادیواکتیویته ی بتا مثبت که در 1934 فردریک و ایرن ژولیو ــ کوری کشف کردند، یک پروتون با گسیل یک الکترون مثبت و یک نوترینو به نوترون مبدل می شود. دیراک ثابت کرده بود که با هر ذره، یک پادذره، با خصوصیاتی مخالف، متناظر است: مثلاً، الکترون مثبت، پادذره ی الکترون عادی با بار منفی است؛ نوترینو هم یک پادذره دارد که پادنوترینو نامیده می شود. در این فرایندهای تبدّل، مجموع جرم بعلاوه ی انرژی و نیز مجموع بار الکتریکی و اندازه ی حرکت ذاتی پایسته است. پروتون، نوترون، الکترون و نوترینو ــ مثل توپیهای کوچک ــ یک حرکت چرخشی دور محور خودشان دارند که اسپین نامیده می شود. اسپین همه ی این ذرات، یکی است و در تبدّل یک پروتون به نوترون، یا بالعکس، کل اسپین سیستم پایسته است.
یوکاوا در 1933 به عنوان دانشیار دانشگاه اوزاکا منصوب شد. او در فکر این بود که برهم کنشی میان نوترون و پروتون را با یک میدان قدرت «U»، متشابه میدان الکترومغناطیسی، تعریف کند. قدرت هسته ای باید با مبادله ی ذره ای که آن را «U» می نامد متناظر باشد. چون ذرّه، شناخته شده نیست باید خواص این ذره ی ناشناخته ی مبادله شده، از خصوصیات خود قدرت استنتاج گردد. یوکاوا خود چنین می نویسد: «در طول روز، ایده های خلاق از ذهنم نمی گذشت. رشته ی تفکرم در معادلات گوناگونی که روی تکه های کاغذ نوشته بودم از دست می رفت. در عوض، شب هنگام وقتی در رختخواب دراز می کشیدم ایده های جالب از ذهنم می گذشت؛ به نظرم می آمد که آنها رها از غُل و زنجیر معادلات، بال گشوده اند». وقوع یک توفان دریایی، سپس تولد دومین پسرش فرصتی برای چند روز مرخصی و اقامت در نزد خانواده را به او داد. شبها دفتر یادداشتی دم دست می گذاشت تا اگر لازم شد ایده هایش را در آن ثبت کند.
شبی در اکتبر 1934 که بی خوابی به سرش زده بود، مکاشفه ی عمده ای به او دست می دهد: قدرت هسته ای در فاصله ی کوتاه، کنش می کند و جرم ذره ی جدید مبادله شده، به نسبت کوتاهی فاصله ی برهم کنشی باید بزرگ تر باشد. صبح فردا یوکاوا این مکاشفه را به صورت فرمول می نویسد و درمی یابد که ذره ی مبادله شده باید جرمی حدود 200 برابر بزرگ تر از جرم الکترون داشته باشد. بارَش ــ مثبت یا منفی ــ باید با بار الکترون مساوی باشد، اما اسپین آن به نظر یوکاوا باید صفر باشد. چنین ذره ای هنوز کشف نشده بود.
چند روز بعد یوکاوا ایده اش را در نشستی با اعضای گروه فیزیک نظری مطرح کرد، سپس، در حضور اعضای بخش اوزاکای «جامعه ی فیزیک ــ ریاضی ژاپن» گزارش داد. همه ی حاضران با علاقه مندی زیاد گزارش را دنبال کردند. پروفسور یوشیو نیشینا (14)، که در همان ایام در محافل علمی اروپا و امریکا فیزیکدانی سرشناس بود، به او تبریک گفت. یوکاوا نظریه اش را به زبان انگلیسی در «گزارشهای جامعه ی فیزیک ــ ریاضی ژاپن» منتشر کرد. او روایت می کند: «زنم مرتب به من می گفت: «خواهش می کنم این مقاله را به انگلیسی بنویس تا دنیا در جریان آن باشد... من حالت مسافری را داشتم که در چاپخانه ی کوچکی بر فراز کوهی صعب العبور استراحت می کند، و در این ایام از خود نمی پرسد آیا کوههای دیگری هم بر سر راه وجود دارند.»
بر اساس «اصل عدم قطعیت» هایزنبرگ، ذره با داشتن مقداری جرم ــ که با مقداری انرژی متناظر است ــ می تواند میان دو نوکلئون خیلی نزدیک مبادله شود، به شرطی که فرایند، خیلی سریع باشد. یک چنین مبادله ای باید مرتباً میان نوکلئونها در یک هسته صورت گیرد. وقتی هم که یک هسته بر اثر برخوردی، به هسته ای دیگر خیلی نزدیک می شود، چنین مبادله ای امکان پذیر است. اگر ذره ی جدید «U» که جرمش میانی جرم الکترون و جرم پروتون یا نوترون است و با نوکلئونها برهم کنشی قوی دارد، انرژی کافی در دسترس نباشد، نمی تواند به حالت آزاد ظاهر گردد. برای اثبات وجود آن و مشاهده اش به حالت آزاد شده، به یک انرژی عظیم، بزرگ تر از انرژی جرمش در حالت سکون، نیاز خواهد بود. در آن زمان یک چنین انرژیی در دسترس نبود، مگر در «تابشهای کیهانی»، و این، آن چیزی بود که یوکاوا می گفت باید در جست وجویش بود.
یوکاوا در 23 ژانویه ی 1907 در توکیو، در خانواده ای دانشگاهی متولد شد ــ پدرش استاد زمین شناسی دانشگاه کیوتو بود ــ یوکاوا دلش می خواست «کاشف یک سرزمین ناشناخته باشد، آباد کننده ی یک کشور نو». او دوره ی نوجوانیش را در کیوتو گذراند و تحصیلات عالی را در دانشگاه سلطنتی ادامه داد. پس از شش سال تدریس در دانشگاه اوزاکا، به کیوتو بازگشت و بیشتر ایام زندگیش را در آنجا به سر برد.
پی یر لوتی (1)، سیاح معروف درباره ی شهر کیوتو می نویسد: «در شهر خدایان از هیچ چیز تعجب نمی کنند». کیوتو از سال 794 پایتخت ژاپن شد، در زمان جنگ جهانی دوم به برکت مداخله ی کمیته ای از دانشمندان و تاریخدانان امریکایی به خاطر گنجینه ی آثار هنریش، از آسیب جنگ در امان ماند. شهر کیوتو که اطراف آن را تپه هایی فراگرفته است، بر روی دریاچه ی قدیمی بنا شده است. در دو ساحل رود کامو (2) بولوارهای وسیع طولی و خیابانهای عرضی به سبک شهرهای قدیمی چینی بنا شده است. کیوتو مرکز امپراتوری بود، با وجود این، پس از انتقال دارالحکومه ی شوگونی در اوایل قرن هفدهم به اُدو، آن طور که رادیر کیپلینگ (3) توصیف می کرد، پایتخت «خوشبخت تن آسا، شکوهمند» کمی خواب آلود بوده است. در این شهر، بیش از 200 معبد، صومعه، نمازخانه، موزه و قصر از جمله قصر قدیمی سلطنتی وجود دارد. در برابر برخی از معابد، ردیفی از «توری (4)» چوب سرخ: ستونهای کیش شینتویی برپا شده است. در مدخل اماکن مذهبی، مانند مدخل منازل مسکونی، رسم بر این است که کفشها را از پا دربیاورند. درون خانه ی ژاپنی، با حصیر «تاتامی (5)»، درهای کشویی) اورُسی) و قسمت شاه نشین ــ که محراب را تداعی می کندــ با دسته گلی کوچک و طوماری خطی تزیین شده است. قصر سلطنتی مثل بسیاری از معابد، درون باغهای پهناور بنا شده است. فیزیکدان آینده ی ما در سالهای تحصیلیش انشای کوتاهی به زبان فرانسه با این مضمون نوشته است: «بهترین ایام سال، پاییز است، برگهای پژمرده، گذرگاههای مارپیچ را که از میان درختان کهنسال قصر می گذرند، پوشانده است؛ برگهای خشک، زیر سندلهایم خرد می شوند؛ این صداهای سبک چونان پژواکی فراموش ناشدنی در ضمیرم حک شده اند.»
هیدکی، که در 1923 در 16 سالگی وارد دبیرستان شده، با وجود استعداد فراوان در ریاضیات به فیزیک علاقه مند می شود. او به سهولت، همه ی مسائل کتابهای کلاسیش را حل می کند، اما در کارهای دستی چندان مهارتی ندارد. یوکاوا دلیل علاقه اش را به فیزیک نظری بارها توضیح داده است. اهل معاشرت نبوده است و به عرصه ای کشانده شده است که در آن، تماسهای انسانی نقشی اصلی ندارند. علوم اجتماعی برایش جالب نبودند؛ او موضوعاتی را ترجیح می داد که می توانست به تنهایی رویشان کار کند.
همین که می تواند به زبان آلمانی چیز بخواند، کتابی در فیزیک نظری از ماکس پلانک را مطالعه می کند و درمی یابد که در فهمیدن آن مشکلی ندارد. این نگرش جدید فیزیک، او را شیفته می کند. او درسهای مکانیک را هم دنبال می کند. هیدکی اوگاوا تصمیم می گیرد وارد دانشگاه کیوتو بشود، که پدرش در آنجا رئیس دانشکده شده بود. در آنجا او یکی از هواداران پروپا قرص فیزیک کوانتومی می شود.
در پایان تحصیلات و اخذ دیپلم دانشگاهی به عنوان مربی بدون حقوق در دانشگاه سلطنتی کیوتو متصدی تدریس مکانیک کوانتومی می شود. در سال 1932 که نوترون و پوزیترون (الکترون مثبت) کشف می شود، او با دوشیزه سُومی (6)، دختر دکتر یوکاوا اهل اوزاکا ازدواج می کند.
مربی جوان در تحقیقاتش همان قدر که از شناختهایش در ریاضیات و در فیزیک استفاده می کند، از معرفت شهودی خود نیز که از حکمت فلاسفه ی قدیمی خوشه چینی کرده بهره می گیرد. تا آنکه روزی یوکاوا به استعاره ی زیر برمی خورد که از فصل 17 طغیان پاییز، از کتاب چوانگ ــ تسه (7) استخراج شده و به نظرش بازتاب تفسیری است درباره ی اصالت عقل و اصالت تجربه در علوم. چه چیز را می توان مشاهده کرد؟ چه چیز را می توان بررسی کرد؟ «روزی چوانگ ــ تسه در رودخانه ی هائو (8) با هویی ــ تسه (9)، حکیمی که اهل مجادله بوده گردش می کرده. به هنگام عبور از روی یک پل به هویی ــ تسه می گوید:
ــ نگاه کنید به ماهیهایی که روی آب ظاهر می شوند و به راحتی شنا می کنند. چنین است که ماهیان خوشبختند.
ــ شما که ماهی نیستید، از کجا می دانید که ماهیها این چنین خوشبختند؟
چوانگ ــ تسه پاسخ می دهد، شما من نیستید، چگونه می دانید که من نمی دانم خوشبختی ماهیها چیست؟
هوئی ــ تسه ظفرمندانه پاسخ می دهد، البته، من نمی دانم که شما چه می دانید و چه نمی دانید. برهمین قیاس، شما هم که ماهی نیستید و در نتیجه نمی دانید که ماهیها چه احساسی دارند. حالا پاسختان چیست؟
فیلسوف می گوید، صبر کنید. برگردیم به پرسش اوّلتان. شما از من پرسیدید، چگونه می توانم بدانم که ماهیها خوشبختند. پس شما قبول می کنید که من آن را می دانستم. زیرا شما از من می پرسید: از کجا آن را می دانستم؟ خیلی ساده، با نگاه کردن به آنها از بالای پل، دانستم که ماهیها خوشبختند».
این جمله ی آخری به کمک مفهوم نگار به صورت زیر نوشته می شود:
آیا نمی توان این سه «حرف» را کلمه ی ساده مکاشفه تعبیر کرد؟
حالا به دنیای فیزیک برگردیم. پیش از 1932 از هسته ی اتم چه می دانستند؟ تصور می شد که هسته از پروتونها و از الکترونها تشکیل شده است. اینها تنها «ذرات بنیادین» شناخته شده تا آن زمان بود. اتم هیدروژن که کوچک ترین و ساده ترین اتم است، فقط یک پروتون دارد. بار الکتریکیش مثبت است و جرمش در حدود 2000 برابر جرم الکترون است. در آن زمان پذیرفته شده بود که هسته های سنگین ممکن است از هسته های سبک تر تشکیل شوند. چرا الکترونها ضرور بودند؟ تنها به این خاطر که بارهای الکتریکی منفی برای جبران جزئی بار الکتریکی مثبت پروتونها در هسته ی عناصری غیر از هیدروژن ضرور بودند؛ بدین ترتیب، احتمال می رفت که هسته ی کربن از 12 پروتون و 6 الکترون تشکیل شده باشد. علاوه بر این، برخی از هسته های سنگین رادیواکتیو مثل رادیوم D، یک محصول رادیوم، خودبه خود در رادیواکتیویته ی بتا الکترونهایی گسیل می کرد.
با این همه، این توصیف با مشکلاتی مواجه شد که پس از کشف نوترون به توسط جمس چادویک (10) در آغاز 1932، در پی آزمایشی که فردریک و ایرن ژولیو ــ کوری انجام داده بودند، رفع شد. توصیف تازه ای از هسته ــ متشکل از پروتونها و نوترونها ــ لازم آمد، که توصیف امروزی ما از هسته است. قبل از همه، هایزنبرگ تصور کرد نوترون هم باید خودش یک ذره ی بنیادین باشد: پروتون و نوترون که تقریباً هم جرمند، دو نوع از یک جنس ذره اند که نوکلئون نامیده شده است.
آنگاه می شد «انرژی بستگی» یک هسته را، انرژی لازم برای جدا کردن آن از همه ی ذرات بنیادیش تعریف کرد. با مقایسه ی ترکیب، اندازه ها و انرژی بستگی سبک ترین هسته ها، یعنی هسته ی هیدروژن سنگین ــ دئوتون ــ و هسته ی هلیوم چهار ــ که ذره ی آلفا هم نامیده می شود ــ، فیزیکدان امریکایی مجاری تبار، اوژن ویگنر (11) ثابت کرد که نوترونها و پروتونها در یک هسته باید بین خودشان با قدرتهایی متمایز از قدرتهای الکترومغناطیسی، که پیوندهای شیمیایی را تأمین می کنند، پیوند داشته باشند. برخلاف قدرتهای الکترومغناطیسی، قدرتهای هسته ای باید خیلی نیرومند و بُرد آنها باید خیلی کوتاه بوده باشد، فاصله ای کمتر از (13ــ) 10 سانتیمتر یعنی ده میلیونیم میلیونیم سانتیمتر. ابتدا فکر کردند که قدرتهای مهم، آنهایی هستند که میان نوترونها و پروتونها برهم کنشی دارند، و این قدرتها، در تخمین اولیه، برای توضیح چسبندگی هسته های سبک کافی بودند. و بدین ترتیب از نظریه ای دفاع می شد که به موجب آن، هسته های سبک پایدار عموماً به تعداد مساوی پروتون و نوترون دارند. برای هسته های سنگین، علاوه بر قدرتهای هسته ای باید قدرت دفع الکتروستاتیکی (= دفع کولنی) میان پروتونهای همبار را هم به حساب آورد، که به موجب آن، هسته های پایدار سنگین تعداد نوترونهایشان بیشتر از پروتون است.
هایزنبرگ پیشنهاد کرد که عمل قدرتهای هسته ای به عنوان مبادله ی بار الکتریکی میان نوترون و پروتون ملاحظه شود، شبیه آنچه که در یک مولکول می گذرد. بدین ترتیب، اگر یک پروتون با انتقال بار الکتریکی مثبتش به یک نوترون مجاور، خودش به یک نوترون مبدل می شود، نوترون مجاور هم به نوبه ی خودش به یک پروتون مبدّل خواهد شد. به همین ترتیب، اگر یک نوترون با انتقال بار الکتریکی منفی به یک پروتون مجاور، خودش به یک پروتون تبدیل می شود، پروتون مجاور هم با انتقال بار الکتریکیش به نوترون مبدل خواهد شد. در این فرایند مبادله، جرم تغییر نمی کند.
در چهارچوب چنین توصیفی، گسیل الکترونهای مشاهده شده در رادیواکتیویته ی بتا را چگونه باید تبیین کرد؟ فیزیکدان ایتالیایی انریکو فِرمی پاسخ این پرسش را در اواخر سال 1933 پیدا کرد. الکترون در لحظه ای که گسیل می شود در عین حال از یک ذره ی خنثی و از جرمی صفر ــ یا فوق العاده کوچک ــ نوترینو، تشکیل شده است، که وجودش را پائولی در 1930 زمانی که استاد دانشگاه زوریخ بود، پیش بینی کرده بود؛ به قسمی که یک نوترون می تواند با گسیل یک الکترون و یک نوترینو به یک پروتون تبدیل شود. در رادیواکتیویته ی بتا مثبت که در 1934 فردریک و ایرن ژولیو ــ کوری کشف کردند، یک پروتون با گسیل یک الکترون مثبت و یک نوترینو به نوترون مبدل می شود. دیراک ثابت کرده بود که با هر ذره، یک پادذره، با خصوصیاتی مخالف، متناظر است: مثلاً، الکترون مثبت، پادذره ی الکترون عادی با بار منفی است؛ نوترینو هم یک پادذره دارد که پادنوترینو نامیده می شود. در این فرایندهای تبدّل، مجموع جرم بعلاوه ی انرژی و نیز مجموع بار الکتریکی و اندازه ی حرکت ذاتی پایسته است. پروتون، نوترون، الکترون و نوترینو ــ مثل توپیهای کوچک ــ یک حرکت چرخشی دور محور خودشان دارند که اسپین نامیده می شود. اسپین همه ی این ذرات، یکی است و در تبدّل یک پروتون به نوترون، یا بالعکس، کل اسپین سیستم پایسته است.
ظاهراً همه ی این فرضیات، منسجم به نظر می رسیدند و می شد حتی چنین عنوان کرد که در واقع قدرتهای هسته ای با مبادله ی یک زوج الکترون ــ نوترون میان دو نوکلئون متناظر است، همان طور که قدرتهای الکترومغناطیسی با مبادله ی یک فوتون میان دو ذره ی باردار، متناظر بود. اما محاسبه ای که ایگورتام (12) از دانشگاه مسکو ود. ایواننکو (13) از لنینگراد بر پایه ی این فرضیه انجام دادند ثابت کرد که چنین قدرتی خیلی ضعیف است. رادیواکتیویته ی بتا، در مقایسه با مبادله ی بارالکتریکی در قدرتهای هسته ای که می باید فرایندی سریع بوده باشد. فرایندی کُند بود. باری، ماهیّت قدرتهای هسته ای هنوز در پرده ی اسرار مانده بود.
هیدکی یوکاوا در کیوتو به این استدلالهای کوتاه و بلند می اندیشید. فیزیک ژاپنی در ابتدای راهش بود؛ مجلات علمی دیر به دیر از اروپا و از امریکا می رسیدند. یوکاوا خودش هم اندیشیده بود که یک قدرت مبادله در یک هسته چه می توانسته است باشد. ابتدا او فکر کرده بود که مبادله ممکن است شامل مبادله ی یک الکترون مثبت یا منفی میان دونوکلئون باشد، بدین ترتیب، نوترونها و پروتونها متقابلاً به یکدیگر تبدیل می شدند. اما این نگرش با اصل بقای اسپین، منافات داشت. پس از خواندن مقاله ی فِرمی، یوکاوا خودش نیز به این فکر افتاده بود که نوترون و پروتون با یک زوج الکترون ــ نوترینو، مبادله می شوند؛ با این همه، همان طور که دیدیم، چنین مبادله ای یک بر هم کنشی قوی را بیان نمی کرد.یوکاوا در 1933 به عنوان دانشیار دانشگاه اوزاکا منصوب شد. او در فکر این بود که برهم کنشی میان نوترون و پروتون را با یک میدان قدرت «U»، متشابه میدان الکترومغناطیسی، تعریف کند. قدرت هسته ای باید با مبادله ی ذره ای که آن را «U» می نامد متناظر باشد. چون ذرّه، شناخته شده نیست باید خواص این ذره ی ناشناخته ی مبادله شده، از خصوصیات خود قدرت استنتاج گردد. یوکاوا خود چنین می نویسد: «در طول روز، ایده های خلاق از ذهنم نمی گذشت. رشته ی تفکرم در معادلات گوناگونی که روی تکه های کاغذ نوشته بودم از دست می رفت. در عوض، شب هنگام وقتی در رختخواب دراز می کشیدم ایده های جالب از ذهنم می گذشت؛ به نظرم می آمد که آنها رها از غُل و زنجیر معادلات، بال گشوده اند». وقوع یک توفان دریایی، سپس تولد دومین پسرش فرصتی برای چند روز مرخصی و اقامت در نزد خانواده را به او داد. شبها دفتر یادداشتی دم دست می گذاشت تا اگر لازم شد ایده هایش را در آن ثبت کند.
شبی در اکتبر 1934 که بی خوابی به سرش زده بود، مکاشفه ی عمده ای به او دست می دهد: قدرت هسته ای در فاصله ی کوتاه، کنش می کند و جرم ذره ی جدید مبادله شده، به نسبت کوتاهی فاصله ی برهم کنشی باید بزرگ تر باشد. صبح فردا یوکاوا این مکاشفه را به صورت فرمول می نویسد و درمی یابد که ذره ی مبادله شده باید جرمی حدود 200 برابر بزرگ تر از جرم الکترون داشته باشد. بارَش ــ مثبت یا منفی ــ باید با بار الکترون مساوی باشد، اما اسپین آن به نظر یوکاوا باید صفر باشد. چنین ذره ای هنوز کشف نشده بود.
چند روز بعد یوکاوا ایده اش را در نشستی با اعضای گروه فیزیک نظری مطرح کرد، سپس، در حضور اعضای بخش اوزاکای «جامعه ی فیزیک ــ ریاضی ژاپن» گزارش داد. همه ی حاضران با علاقه مندی زیاد گزارش را دنبال کردند. پروفسور یوشیو نیشینا (14)، که در همان ایام در محافل علمی اروپا و امریکا فیزیکدانی سرشناس بود، به او تبریک گفت. یوکاوا نظریه اش را به زبان انگلیسی در «گزارشهای جامعه ی فیزیک ــ ریاضی ژاپن» منتشر کرد. او روایت می کند: «زنم مرتب به من می گفت: «خواهش می کنم این مقاله را به انگلیسی بنویس تا دنیا در جریان آن باشد... من حالت مسافری را داشتم که در چاپخانه ی کوچکی بر فراز کوهی صعب العبور استراحت می کند، و در این ایام از خود نمی پرسد آیا کوههای دیگری هم بر سر راه وجود دارند.»
بر اساس «اصل عدم قطعیت» هایزنبرگ، ذره با داشتن مقداری جرم ــ که با مقداری انرژی متناظر است ــ می تواند میان دو نوکلئون خیلی نزدیک مبادله شود، به شرطی که فرایند، خیلی سریع باشد. یک چنین مبادله ای باید مرتباً میان نوکلئونها در یک هسته صورت گیرد. وقتی هم که یک هسته بر اثر برخوردی، به هسته ای دیگر خیلی نزدیک می شود، چنین مبادله ای امکان پذیر است. اگر ذره ی جدید «U» که جرمش میانی جرم الکترون و جرم پروتون یا نوترون است و با نوکلئونها برهم کنشی قوی دارد، انرژی کافی در دسترس نباشد، نمی تواند به حالت آزاد ظاهر گردد. برای اثبات وجود آن و مشاهده اش به حالت آزاد شده، به یک انرژی عظیم، بزرگ تر از انرژی جرمش در حالت سکون، نیاز خواهد بود. در آن زمان یک چنین انرژیی در دسترس نبود، مگر در «تابشهای کیهانی»، و این، آن چیزی بود که یوکاوا می گفت باید در جست وجویش بود.
پی نوشت ها :
1.Pierre Loti نام مستعار لوئی ماری ژولین ویو (1850 ــ 1923) افسر دریایی و نویسنده ی فرانسوی است که به ایران نیز سفر کرده است. ــ م.
2. Kamo.
3. Rudyard Kipling شاعر و داستان نویس انگلیسی (1865 ــ1936) برنده ی جایزه ی نوبل ادبی 1907ــ م.
4. tori.
5. tatami.
6. Sumi.
7. Chang-tze.
8. Hao.
9. Hui-tze.
10.James Chadwick.
11. Eugene Wigner.
12. Igor Tamm.
13. D. Ivavenko.
14.Y. Nishina.
