انشتین و فیزیکِ کـوانـتوم

29 اسد 1393/

بخش نخست

mnandegar-3نویسنده: پل استراترن
برگردان: بهرام معلمی

انشتین در سال ۱۹۰۵ چهار مقاله برای آنالن‌دِر فیزیک فرستاد. این مقاله‌ها به معنای واقعی کلمه، جهان را تغییر دادند. عنوانِ یکی از این مقالات که در آنالن‌دِر فیزیک منتشر شد، عبارت بود از «دربارۀ دیدگاه اکتشافی مربوط به گسیل و انتشار نور». (۱) انشتین خودش این مقالۀ هفده‌صفحه‌یی را «بسیار انقلابی» می‌دانست، و در واقع قرار بود تمامی فهمِ ما را از ماهیت نور دگرگون کند؛ به طریقی که فیزیک دیگر هرگز به آن‌چه که تا آن موقع بود، شباهتی نیافت.
برای فهمیدن اهمیت این مقالۀ انشتین، ابتدا باید تاریخچۀ 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 ۱۶۷۸، کریستیان هویگنس اخترشناس و فیزیک‌دان هالندی 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 چه‌گونه 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 خلأ چه‌گونه حرکت می‌کنند؟ هویگنس ایدۀ وجود مادۀ نامرییِ فراگیر و همه‌جاگیر 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 ۱۷۰۴، آیزاک نیوتون اثر عظیم خودش دربارۀ نور را تحت عنوان اپتیک منتشر کرد. این کتاب به روشی کامل و جامع، تمامی شیوه‌های رفتاری و کیفیاتِ نور را تشریح می‌کرد. وی برای این‌که تمامی این خواص متنوع را در نظریه‌های خود بگنجاند، نظریۀ ذره‌یی (یا تنیزه‌یی) (۲) را مطرح کرد، که برپایۀ آن نور از ذراتی تشکیل می‌شد که به نحوی تحت تأثیر امواج قرار می‌گرفت. متأسفانه، نیوتون نتوانست توضیحی قانع‌کننده ارایه دهد که این دو عنصر ظاهراً متناقض را درهم آمیزد.
نظریۀ موجی نور در قرن بعد و متأثر از کارهای جیمز کلارک ماکسول، فیزیک‌دان اسکاتلندی، که در سال ۱۸۷۸، یک سال پیش از زاده شدن اینشتین، درگذشت، رونق فراوانی یافت و هواداران بسیاری پیدا کرد. ماکسول، در دهۀ ۱۸۶۰، به کمک محاسباتِ 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 گسترۀ کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیسی را اشغال می‌کند، و پیش‌بینی کرد که سایر انواع امواج الکترومغناطیسی با طول موج‌های مختلف به‌زودی کشف شوند.
این یافته‌ها را هاینریش هرتز، فیزیک‌دان آلمانی و کاشف امواج رادیویی، در سال ۱۸۸۸ تأیید کرد. امواج رادیویی دقیقاً به همان شیوه‌یی عمل می‌کردند که گرما و نور، و جمله‌گی کیفیات موج‌گونه را به نمایش می‌گذاشتند. هرتز نخستین کسی بود که امواج رادیویی نویافته را گسیل و دریافت کرد، اما متأسفانه در سال ۱۸۹۵، پیش از آن‌که بتواند کاربردی برای کشف خود بیابد، بر اثر مسمومیت خون درگذشت. گوگلیمو مارکونی، فیزیک‌دان ایرلندی ایتالیایی‌تبار بود که کاربرد علمی کشف هرتز را تحقق بخشید. کارهای هرتز با تأیید حدس ماکسول مبنی بر این‌که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی با همان سرعت نور در داخل اتر حرکت می‌کنند، درستی نظریۀ موجی را با قوت بیشتری اثبات کرد.
متأسفانه (۳) در آن موقع کسانی یافت شدند که دربارۀ اتر، که کل نظریۀ موجی نور بر پایۀ آن استوار بود، تردید روا می‌داشتند. نه تنها اتر باید تماما فضا را پُر 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 ۱۸۸۷، آلبرت مایکلسون دانشمند نیروی دریایی امریکا و همکارش، ادوارد مورلی، به قصد اندازه‌گیریِ 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 سوال و تردید قرار دهند. آیا علی‌رغم فراگیری این مادۀ مبهم، کسی اصلاً زمانی مدرکی و گواهی واقعی برای وجود آن یافته است؟ آیا کسی حتا حضور و وجودش را در آزمایشی ثبت کرده است؟ با همۀ 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 نظریۀ موجی نور در تناقض‌اند. وقتی نور به برخی جامدات برخورد می‌کرد، اثر فوتوالکتریکی مشاهده شد. این اثر از گسیل الکترون‌ها ناشی می‌شد. به‌خصوص، 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 نیُفتاد. در عوض، تعداد الکترون‌های گسیلیده، البته بدون تغییر سرعت، افزایش یافت. لنارد سپس به چیزی حتا 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.

اشتراک گذاري با دوستان :

Comments are closed.