پایه فیزیک نوین

 

ماکس پلانک

بدون تردید شما درهایی را که خود به خود باز می شوند دیده اید و تعجب کرده اید. ولی اگر به دقت نگاه کنید شعاع نوری را خواهید دید که در عرض درگاه گسترده شده است. هنگامی که مسیر نور قطع می شود موتوری در را باز می کند. این یکی از موارد استعمال چشم الکتریکی است. چشم الکتریکی و نیز دوربین تلویزیون از یک اصل مهم و اساسی فیزیکی استفاده می کنند که به آن اصل فتوالکتریسیته می گویند. وقتی نور به یک قطعه فلز برمی خورد الکترون ها آزاد می شوند. در نتیجه به وسیله نور الکتریسیته ایجاد می شود. این خاصیت را فتوالکتریسیته نامند. پیدایش فتوالکتریسیته دنیای علم را دگرگون ساخت و ایجاد بحث و هیاهویی کرد که به نظر می رسید مکسول و هرتس آن را آرام کرده بودند.
این دانشمندان ثابت کردند که نور از امواج الکترومانیتیک تشکیل شده است. نور از قوانین امواج تبعیت می کرد. بنابراین می بایست از امواج تشکیل شده باشد. در سال 1889 هرتس گفت: «تئوری تموّجی نور از نظر انسان ها یک حقیقت محض است.» سؤالی پیش آمد که آیا این گفته واقعیت است یا نه؟
فقط یازده سال بعد، ماکس پلانک ثابت کرد که نور از ذرات انرژی تشکیل شده است. نیوتن دویست سال قبل گفته بود که نور از ذرات ریز تشکیل شده است. دنیای علم این تئوری را به ظاهر مدفون کرده بود. اکنون پروفسور پلانک با انجام محاسباتی یقین حاصل کرد که انرژی از ذرات ریز جدا از هم پدیدار شده است. علم نوین برای ذرات انرژی نور فوتن نام نهاده است. پلانک نام این ذرات را کوانتا گذاشت و به تنهایی تئوری کوانتوم را بنیان گذاری کرد. این تئوری در فیزیک نوین دارای ارزش مهمی است.
ماکس پلانک در 23 آوریل 1858 در کیل، بندر هلندی واقع در ساحل دریای بالتیک، در یک خانواده آلمانی به دنیا آمد و در سال 1947 در آلمان درگذشت و در سال های آخر عمر دچار رنج و تلخ کامی فراوان گردید. پدرش استاد دانشگاه و در رشته قضایی متخصص بود. ماکس در خانواده ای بزرگ شد که ممتاز و تحصیل کرده بودند و بین افراد آن خانواده چند نفر دانشمند و قاضی وکارمند عالی رتبه و عالم دین بودند. هنگامی که ماکس نه ساله بود خانواده اش به مونیخ رفتند که در آن جا پروفسور پلانک، پدر ماکس، توانست شغلی در دانشگاه انتخاب کند. در مونیخ ماکس به دبیرستان ماکس میلیان رفت و درآن جا فرصت یافت زیر نظر مربی فیزیک کاردان و با علاقه اش کار کند. این رابطه معنوی با معلم، آینده او را به عنوان فیزیک دان پی ریزی کرد. خانواده اش او را به مطالعه موسیقی تشویق می کردند. او پیانو را ماهرانه می نواخت و موسیقی در سراسر عمرش مایه لذت و استراحت او بود.
چند سال بعد به دانشگاه های مونیخ و برلن رفت و زیر نظر فیزیک دان های مشهور آن زمان مانند هرمان هلمهولتس و گوستاو کیرشهوف به مطالعه پرداخت. پلانک با نوشتن رساله ای درباره آزمایش دیفوزیون (انتشار) هیدروژن به وسیله پالادیوم به اخذ درجه دکترا نایل آمد. گفته می شود که این تنها آزمایشی بود که او انجام داده بود. او بیش از این که یک دانشمند آزمایش گر باشد ریاضی دان ارزنده ای بود.
نبوغ و استعداد فوق العاده او زود مورد توجه واقع شد و به زودی در دانشگاه مونیخ استادیار شد و بعد به مقام استادی فیزیک دانشگاه کیل رسید. در سال 1889 در سن سی و یک سالگی کرسی استادی فیزیک دانشگاه برلن را به دست آورد.
پلانک در رشته ترمودینامیک یا علم حرارت تخصص داشت. به نظر او نور و حرارت با هم ارتباط ناگسستنی دارند چنان که با تماس یک لامپ الکتریکی روشن می توان به این موضوع پی برد. در حقیقت رنگ نور اساس اندازه گیری درجات حرارت خیلی زیاد را تشکیل می دهد که با میزان الحراره های معمولی امکان پذیر نمی باشند. رنگ نور داخل کوره با نمونه ای مشخص مقایسه می شود و آن گاه درجه حرارت آن تعیین می گردد. دستگاهی که به کار می رود پیرومتر نوری نامیده می شود. هرقدر به نور سفید نزدیک تر شویم درجه حرارت به همان میزان بیشتر می شود. در درجات کمتر تشعشع نور مادون قرمز نامرئی و در 1000 درجه فارنهایت نور قرمز مرئی و در 2500 درجه فارنهایت نور سفید خیره کننده به چشم می خورد. درجه حرارت فیلامنت یک لامپ الکتریکی در حدود 5000 درجه فارنهایت است. بدین ترتیب مشاهده می شود که نور و حرارت به هم وابسته اند و هر دو انرژی هستند. پس پلانک مطالعات خود را درباره ترمودینامیک گسترش داد و به بررسی تئوری نور پرداخت.
هنگامی که پلانک به مطالعه تشعشع نور مشغول بود با اشکال تئوریک برخورد کرد. با محاسبه ای که بر مبنای تئوری های موجود کرد متوجه شد که یک ذره حرارت کم می تواند نور بسیار درخشانی ایجاد کند. چون هر چیزی دارای مقداری حرارت است پس محاسبه نشان داد که ما همه دارای حرارت سفید و به منزله کوره ای هستیم. چون محاسبه او اشتباهی نداشت بنابراین نقصی در تئوری بود. پلانک جرئت بیان این موضوع را داشت.
پلانک همچنین شایستگی این را داشت که تئوری جدیدی را ثابت کند. آن موقعی بود که درباره کوانتوم یا توده انرژی می اندیشید. پلانک گفت که توده های انرژی به موقع خود به اندازه های مختلف در می آیند. توده انرژی بزرگی برای بالا بردن سطح انرژی فرکانس های قوی نور لازم است ولی برای افزایش سطح انرژی فرکانس های پایین توده انرژی کمتری مورد نیاز است. پلانک این نظریه کوانتوم را به آکادمی علوم آلمان گزارش داد. اگر شما امروز در محاسبه دچار تردید می شوید ناراحت نباشید؛ دانشمندانی که در دسامبر 1900 این نظریه را بررسی می کردند هم درباره آن تردید داشتند. به علاوه تئوری کوانتوم تئوری ذره ای نور را مجدداً مورد توجه قرار داد ولی دانشمندان هنوز آماده پذیرفتن آن نبودند و هنوز تئوری تموّجی در اغلب موارد به نظر آنان کامل تر بود.
اینشتین، که در آن موقع در سوئیس درباره تئوری نسبیت خود مطالعه می کرد، متوجه شد که اثر کوانتوم می تواند جوابگوی اغلب اسرار فتوالکتریسیته باشد. هنگامی که این ذرات نور به قطعه فلزی بر می خورند الکترون ها از فلز پرتاب می شوند. هرگاه نور زیادی به فلز بتابد الکترون های بیشتری پرتاب خواهد شد. اگر تئوری تموّجی درست باشد در آن صورت باید با افزایش نور سرعت الکترون ها زیادتر شوند نه تعدادشان.
به تدریج دنیای دانش متوجه اهمیت تئوری «توده انرژی» یعنی تئوری کوانتوم پلانک شد و هجده سال بعد از کشف این تئوری جهان ارزش آن را شناخت و به پلانک جایزه نوبل در فیزیک داده شد.
در سال 1913 اینشتین که برای پیشرفت تئوری کوانتوم پلانک اقدام کرده بود به برلن آمد. این دو دانشمند برای همیشه با هم دوست شدند. هر دو به فیزیک و ریاضی و موسیقی علاقه مند بودند. برلن با وجود اینشتین و پلانک، مرکز تحقیقات فیزیک جهان به شمار می رفت.
پلانک بعد از مرگ همسر اولش، در سال 1909، با زن دیگری ازدواج کرد و از او صاحب سه فرزند شد که با چهار فرزند اولش هفت نفر می شدند. متأسفانه هیچ کدام از این هفت فرزند زنده نماندند: پسر بزرگش، کارل، در سال 1916 در جنگ جهانی اول کشته شد و دو دختر دوقلویش به فاصله یک سال بعد از تولد مردند.
رژیم نازی آلمان دوستان او اینشتین و اروین شرودینگر را مجبور کرد آلمان را ترک گویند. پلانک از مخالفان هیتلر بود. بارها از امضای سوگند وفاداری برای حزب نازی خودداری کرد. پروسی های مغرور و سرسخت نمی توانستند وحشی گری های گوبلس و هیتلر را بپذیرند. در سال 1944 نازی ها به سراغ این پیرمرد هشتاد وشش ساله آمدند؛ با گروگانی چون پسرش که متهم به توطئه علیه هیتلر بود و گفتند که اگر پیمان وفاداری امضا کنی پسرت آزاد خواهد شد. باز هم پلانک خودداری کرد و آخرین فرزندش اروین پلانک را نیز کشتند. بعد از این مصیبت بزرگ خانه و کتابخانه اش در بمباران آلمان ویران شد.
دولت آلمان بعد از جنگ درصدد بود جشن مفصلی به افتخار نودمین سال روز تولد ماکس پلانک ترتیب دهد اما این کار عملی نشد. پلانک در 4 اکتبر 1947 چند ماه قبل از این که نود ساله بشود درگذشت. به پاس خدمات او آکادمی علوم کایزر ویلهلم به نام آکادمی ماکس پلانک نامیده شد و بالاترین درجه علمی آلمان مدال ماکس پلانک گردید.
پلانک چه خدمتی به علم کرد؟ هندریک لورنتس، دانشمند معروف هلندی، می گوید: «پیشرفت امروزی ما در زمینه دانش معلوم می دارد که ضریب ثابت پلانک در تشدید تشعشع حرارتی، طول موج نور، حرارت مخصوص جامدات، خاصیت فوتوشیمیایی نور، الکترون ها در اتم، طول امواج خطوط طیف نور، فرکانس امواج رونتگن که به شدت سرعت مولکول گازها و نیز فاصله ذرات ساختمان بلور تغییر می کند همه جا اساس کار را تشکیل می دهد.»
به طور خلاصه تئوری پلانک پایه و اساس تمام فیزیک نوین درباره ذرات اتمی است.
منبع: کان، فیلیپ؛ (1389) دانشمندان بزرگ، ترجمه سید مهدی امین و عباسعلی رضایی، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی