اینشتین و فیزیک کوانتوم

اینشتین در سال 1905 چهار مقاله برای آنالن‌دِر فیزیک فرستاد. این مقاله‌ها به معنای واقعی کلمه جهان را تغییر دادند. عنوان یکی از این مقالات که در آنالن‌دِر فیزیک منتشر شد عبارت بود از «درباره‌ی دیدگاه اکتشافی مربوط به گسیل و انتشار نور». (1) اینشتین خودش این مقاله‌ی هفده صفحه‌ای را «بسیار انقلابی» می‌دانست، و در واقع قرار بود تمامی فهم ما را از ماهیت نور دگرگون کند؛ به طریقی که فیزیک دیگر هرگز به آن چه که تا آن موقع بود، شباهتی نیافت.
برای فهمیدن اهمیت این مقاله‌ی اینشتین، ابتدا باید تاریخچه‌ی علمی نور را ردگیری کنیم. از زمان یونانیان باستان، فیلسوفان و دانشمندان بر این باور بودند که نور از دانه‌های ریز مادی تشکیل شده است. با اختراع تلسکوپ در اوایل قرن هفدهم، این نظر مورد تردید قرار گرفت. در سال 1678، کریستیان هویگنس اخترشناس و فیزیکدان هلندی اظهار نظر کرد که نور در واقع از امواج ترکیب شده است. اما همچنان که یکی از معاصران وی به این نظریه ایراد گرفت: «امواج دریا، بدون آب دریا چگونه می‌توانند حرکت کنند؟»به بیان دیگر، امواج همواره به ماده یا «محیطی» نیاز دارند که آن‌ها را منتقل کند. امواج نور می‌توانند در هوا، آب، و شیشه حرکت کنند، اما در فضا یا خلاء چگونه حرکت می‌کنند؟ هویگنس ایده‌ی وجود ماده‌ی نامریی فراگیر و همه جاگیر به نام اتر را پیش کشید. بعداً اتر را در حکم موجودیتی بدون وزن و ساکن که تمامی عالم را فراگرفته است، بیان و تشریح کردند.
در سال 1704، آیزاک نیوتون اثر عظیم خودش درباره‌ی نور را تحت عنوان اپتیک منتشر کرد. این کتاب به روشی کامل و جامع تمامی شیوه‌های رفتاری و کیفیات نور راتشریح می‌کرد. وی برای این که تمامی این خواص متنوع را در نظریه‌های خود بگنجاند، نظریه‌ی ذره‌ای (یا تنیزه‌ای) (2) را مطرح کرد، که برپایه‌ی آن نور از ذراتی تشکیل می‌شد که به نحوی تحت تأثیر امواج قرار می‌گرفت. متأسفانه، نیوتون نتوانست توضیحی قانع‌کننده ارائه دهد که این دو عنصر ظاهراً متناقض را درهم آمیزد.
نظریه‌ی موجی نور در قرن بعد و متأثر از کارهای جیمز کلارک ماکسول، فیزیکدان اسکاتلندی، که در سال 1878، یک سال پیش از زاده شدن اینشتین، درگذشت، رونق فراوانی یافت و هواداران بسیاری پیدا کرد. ماکسول، در دهه‌ی 1860 به کمک محاسبات خود به این نتیجه رسید که هم نیروهای الکتریکی و هم مغناطیسی باید تقریباً با سرعت نور در فضا حرکت کنند. وی فوراً به این استنتاج رسید که نور نیز یکی از شکل‌های تابش الکترومغناطیسی است، که در داخل اتر به صورت امواج منتقل می‌شود. وی همچنین نتیجه گرفت که طول موج نور فقط گستره‌ی کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیسی را اشغال می‌کند، و پیش‌بینی کرد که سایر انواع امواج الکترومغناطیسی با طول موج‌های مختلف به زودی کشف شوند.
این یافته‌ها را هاینریش هرتز، فیزیکدان آلمانی و کاشف اواج رادیویی، در سال 1888 تأیید کرد. امواج رادیویی دقیقاً به همان شیوه‌ای عمل می‌کردند که گرما و نور، و جملگی کیفیات موج‌گونه را به نمایش می‌گذاشتند. هرتز نخستین کسی بود که امواج رادیویی نویافته را گسیل و دریافت کرد، اما متأسفانه در سال 1895، پیش از آن که بتواند کاربردی برای کشف خود بیابد، بر اثر مسمومیت خون درگذشت. گوگلیمو مارکونی، فیزیکدان ایرلندی ایتالیایی تبار بود که کاربرد علمی کشف هرتز را تحقق بخشید. کارهای هرتز با تأیید حدس ماکسول مبنی بر این که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی با همان سرعت نور در داخل اتر حرکت می‌کنند، درستی نظریه‌ی موجی را با قوت بیشتری اثبات کرد.
متأسفانه، (3) در آن موقع کسانی یافت شدند که درباره‌ی اتر، که کل نظریه‌ی موجی نور بر پایه‌ی آن استوار بود، تردید روا می‌داشتند. نه تنها اتر باید تماما فضا را پر و در تمام اجسام نفوذ می‌کرد، بلکه اگر قرار بود امواج نوری را منتقل کنند باید همواره یکنواخت و صُلب و انعطاف‌ناپذیر هم می‌بود.
در سال 1887، آلبرت مایکلسون دانشمند نیروی دریایی امریکا و همکارش، ادوارد مورلی، به قصد اندازه‌گیری سرعت گردش زمین، آزمایشی را انجام دادند. آنان امیدوار بودند که این کار را با نشان دادن اثر حرکت زمین در داخل اتر ساکن انجام دهند. اما آنان پی بردند که چنین اثری اصلاً وجود ندارد، که منجر به این شد که دانشمندان علی‌الاصول وجود اتر را مورد سوآل و تردید قرار دهند. آیا علی‌رغم فراگیری این ماده‌ی مبهم، کسی اصلاً زمانی مدرکی و گواهی واقعی برای وجود آن یافته است؟ آیا کسی حتی حضور و وجودش را در آزمایشی ثبت کرده است؟ با همه‌ی این احوال، کدام محیطی بدون اتر می‌توانست امواج نور را در داخل فضا منتقل کند؟
علی‌رغم تمام کارهای ماکسول، و تأیید ظاهراً قطعی مسلّمی که هرتز از آن‌ها کرد، اکنون شواهد جدید شروع به ظاهر شدن کردند که به نظر می‌رسید با نظریه‌ی موجی نور در تناقضند. وقتی نور به برخی جامدات برخورد می‌کرد اثر فوتوالکتریکی مشاهده شد. این اثر از گسیل الکترون‌ها ناشی می‌شد. به خصوص، دریافتند که وقتی نور فرابنفش به برخی فلزات برخورد می‌کرد، سبب گسیل چشمگیر الکترون می‌شد. فیلیپ لنارد، فیزیکدان آلمانی این اتفاقات را با اظهار نظری از این قرار توضیح داد که این فوتوالکترون‌ها، نامی که به این الکترون‌های گسیلی داده بودند، بر اثر تابش نور فرودی از فلز کنده می‌شوند. در این صورت، افزایش [شدتِ] نور قطعاً باید به افزایش سرعت الکترون‌های پراکنده‌شده انجامد. اما این اتفاق نیفتاد. در عوض، تعداد الکترون‌های گسیلیده، البته بدون تغییر سرعت، افزایش یافت. لنارد سپس به چیزی حتی عجیب و غریب‌تر پی برد. وقتی رنگ نور فرودی (یا به بیان دیگر، بسامد موج آن) را تغییر داد، این امر به سرعت الکترون‌های گسیلیده تأثیر نهاد. با افزایش بسامد نور فرودی، سرعت الکترون‌های گسیلیده هم افزایش یافت.
ماکس پلانک (1858 –1947) فیزیک‌دان آلمانی در برلین درباره‌ی این اتفاق‌ها، در کنار پدیده‌های مرتبطی که بر تعارض‌ها و تضادهای نظریه‌ی موجی دلالت می‌کردند، به تحقیق و پژوهش پرداخت. وی به تشریح و توصیف ریاضی این پدیده‌ها مبادرت کرد که به نتایج هردم شگفت‌آورتری انجامید. به نظر می‌آمد که این نتایج با اصول اساسی فیزیک کلاسیک، آن چنان که دویست سال پیش در زمان نیوتون فهمیده و درک شده بودند، در تعارض هستند.
در چهاردهم دسامبر سال 1900، پلانک به نتیجه‌ای حساس و حیاتی دست یافت. در آن روز، در حالی که وی داشت در جنگل‌های گرونه‌والد در نزدیکی برلین قدم می‌زد، به پسر جوانش گفت: «من امروز کشفی به بزرگی کشف نیوتون کرده‌ام ... من نخستین گام را فراتر از فیزیک کلاسیک برداشته‌ام!» بنابر یافته‌های پلانک، وقتی نور بر ماده برخورد می‌کرد، مطابق آن چه از شعور متعارف (و نظریه‌های موجی و ذره‌ای نور) برمی‌آید، نه جذب و نه به صورت شارش پیوسته گسیل می‌شد. در عوض به صورت رگبارهای جداگانه‌ی انرژی، بیشتر شبیه به ذرات، گسیل یا جذب می‌شدند. وی هر یک از این رگبارهای جداگانه‌ی انرژی را کوانتوم، برگرفته از کلمه‌ی لاتین quanta به معنای «چه تعداد»، نامید. اندازه‌ی این کوانتوم‌ها به بسامد موج نور فردی بستگی داشت.
به نظر می‌رسید که نور تعارض‌آمیز، در عین حال هم متشکل از امواج و هم ذرات است. این امر به راستی محال و باورنکردنی به نظر می‌رسید، و پلانک از موافقت با آن و ابراز نظر موافق با آن امتناع ورزید. وی اظهار داشت که نظریه‌اش فقط رابطه‌ی بین نور و ماده را تشریح می‌کند. این نظریه در مورد ماهیت خود نور اعمال نمی‌شد. وی اطمینان داشت که رگبارهای گسسته‌ی انرژی، یعنی کوانتوم‌ها، در هنگامی که ماده را ترک می‌کنند به نحوی به یکدیگر می‌پیوندند و امواج را تشکیل می‌دهند. اما وی نمی‌توانست توضیح دهد که این اتفاق چگونه می‌افتد. نظریه‌ی کوانتومی داشت پای بر عرصه‌ی علم می‌نهاد، اما حتی در نظر بنیان‌گذارش نیز عمدتاً غیرقابل توجیه و غیرقابل توضیح بود.
و این اینشتین بود که سرانجام راه حلی برای این مسأله ارائه کرد. پلانک، خیلی شبیه به کوانتوم‌هایش، درعین حال دو چیز متناقض بود: وی هم حق داشت و هم اشتباه می‌کرد. کوانتوم‌ها نور را در ارتباط با ماده توضیح می‌دادند؛ اما فراتر از این، همان ماهیت خود نور را نیز توضیح می‌داد. اینشتین نظر و ایده‌ی خود را در قالب برهان ریاضی-فیزیکی دقیق در مقاله‌ی تاریخی 1905 خود: «درباره‌ی دیدگاه اکتشافی مربوط به تولید و انتشار نور» تدوین و فرمول‌بندی کرد. اینشتین خودش این مقاله را «بسیار انقلابی» تلقی کرده بود، اما به نحو عجیبی جانب احتیاط را نگه داشت. وی پذیرفت که دیدگاهش «ناسازگار با اصول جاافتاده ... شاید حتی در نهایت سست‌بنیاد و غیرقابل دفاع» است.
بنابر نظر اینشتین، نور به خاطر برخی ملاحظات باید به صورت ذرات مستقل و خیلی شبیه به گاز، اما با جرم سکون صفر تلقی شود. در چنین حالت‌هایی نور از کوانتوم‌ها (که بعداً فوتون نامیده شدند) تشکیل می‌شد. اما وقتی نور باید رفتار موج گونه را بروز می‌داد حالت‌های دیگری هم پیش می‌آمد، و در این صورت باید آن را صرفاً متشکل از امواج تلقی کرد.
پلانک بی‌نظمی و بی‌هنجاری جدیدی را آشکارسازی کرده بود که تا فراسوی حوزه‌ی فیزیک کلاسیک گسترش می‌یافت. در آن جا که به نور ربط پیدا می‌کرد، راه حل اینشتین به معنای پایان قطعی دیدگاه کلاسیک فیزیک بود. بدتر از این‌ها، این راه حل قوانین منطق را نقض می‌کرد. انتظار می‌رفت نور در عین حال دو چیز متناقض باشد. چگونه می‌شود چیزی متشکل از ذرات گسسته و با این وجود در عین حال موج، با طول موج قابل اندازه‌گیری، باشد؟ علم به عصر جدیدی، فراسوی شعور و عقل متعارف پای نهاده بود. در چنین مواردی، علم ضرورتاً در پی فهمیدن آن چیزی نبود که جریان داشت، علم درصدد برمی‌آمد آن را تشریح کند؛ به طریقی (چه متناقض یا سازگار) که بتوان آن را برای توضیح دادن پدیده‌ها و تعیین کردن معرفت و دانش آینده به کار گرفت.
«دیدگاه اکتشافی» اینشتین (مبتنی بر پدیده‌های مشاهده‌شده به جای نظریه‌ی جامع) اثر فوتوالکتریک را توضیح می‌داد، اتر را هم توجیه می‌کرد و دلیل قانع‌کننده‌ای برای آن می‌یافت. نور به صورت کوانتوم‌هایی حرکت می‌کرد که مانند ذرات عمل و رفتار می‌کردند، و برخلاف امواج به محیطی نیاز نداشتند تا آن‌ها را منتقل کند. همان‌گونه که زمانی افرادی گمان برده بودند، اکنون دیگر نیازی به این ماده‌ی موهوم نبود. (اینشتین، که دستش طی آزمایش مربوط به آشکارسازی اتر مجروح شد که در دانشگاه با دستگاهی آن را انجام داد که خوب سوار و جفت و جور نشده بود، حالا با برانداختن اتر و حذف موجودیت آن، انتقام خود راگرفت.)
نظریه‌ی جدید نور اینشتین برخی ناهنجاری‌ها را نیز توضیح می‌داد که در فیزیک کلاسیک بروز کرده بودند. چنین دیدی مکانیکی به جهان، آشکارا حدّ نهایی و نهایت این نوع دیدگاه‌ها نبود. هر چند دید اینشتین به نور شباهتی جدّی به فرمول بندی نادقیق و مخدوش نیوتون در دویست سال قبل از آن داشت، به معنی پایانی برای فیزیک نیوتون هم به شمار می‌آمد. برهان فیزیکی-ریاضیاتی اینشتین صحنه را برای ورود نظریه‌ی کوانتومی مهیا کرد و مفهوم اولیه‌ی پلانک (کوانتوم) را بنیاد ماهیت نور قرار داد.
اما پلانک موضوع را از این وجه نمی‌نگریست. وی از حرف و نظر خود عدول نکرد و کوتاه نیامد، در حالی که تأکید می‌ورزید کوانتوم‌ها فقط به رابطه‌ی نور و ماده اشاره می‌کنند. تا سال 1912 پلانک هنوز هم طی درس‌ها و کنفرانس‌هایش در دانشگاه برلین کماکان به دیدگاه اکتشافی اینشتین حمله می‌کرد؛ و تنها او نبود که از این نظر خود دفاع می‌کرد. دانشمندان معدودی هم به این باور گرایش داشتند که ممکن است علم به این طریق از منطق و اصول منطق عدول کند. از سال 1915 دریافت، فهم و تأیید نظریه‌ی اینشتین شروع شد، زیرا شواهد آزمایشی و تجربی به نفع آن هر چه انکارناپذیرتر می‌شدند. در دهه‌ی 1920 نظریه‌ی کوانتوم به عنوان یکی از پیشرفت‌های عمده‌ی قرن بیستم شروع به بروز و ظهور کرد. پلانک جایزه‌ی نوبل فیزیک سال 1919، و اینشتین جایزه‌ی نوبل 1921 را دریافت داشتند. (اینشتین این نهایت تمجید و تحسین را نه به خاطر نظریه‌ی نسبیت، بلکه برای کارهایش در حوزه‌ی نور و کوانتوم کسب کرد) در زمینه‌ی عملی، نظریه‌ی نور اینشتین در آینده نقش پیشاهنگی را در تکوین و ساخت تلویزیون بازی کرد. اما امروزه چشمگیرترین کاربرد آن در «چشم الکتریکی» است که خود به خود درها را باز می‌کند و می‌بندد. این فکر که نیروی مغناطیسی چگونه در فضا منتقل می‌شود، خواب از چشم اینشتین کوچولو ربوده بود: بیست سال پس از آن شب‌بیداری، توضیح وی از این پدیده فیزیک را دگرگون کرد.

پی‌نوشت‌ها:

1- Einstein, Albert (1905), "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light)", Annalen der Physik 17 (6): 132–148.
2-Corpuscular theory.
3- حالا که موضوع اتر کلاً حل شده و همه می‌دانند اتر وجود خارجی ندارد، ظاهراً مؤلف باید به جای قید «متأسفانه» قید «خوشبختانه» را به کار می‌برد، اما این جا مؤلف از دیدگاه آن زمانه صحبت می‌کند که تردید در وجود اتر امری ناروا می‌بود.

منبع:
استراترن، پل؛ (1389) شش نظریه‌ای که جهان را تغییر داد، ترجمه‌ی دکتر محمدرضا توکلی صابری و بهرام معلمی، تهران، انتشارات مازیار، چاپ چهارم.