انشتین و فیزیکِ کوانتوم

1 سنبله 1393/

بخش دوم و پایانی

mnandegar-3نویسنده: پل استراترن
برگردان: بهرام معلمی

ماکس پلانک (۱۸۵۸ـ۱۹۴۷) فیزیک‌دان آلمانی در برلین دربارۀ این اتفاق‌ها، در کنار پدیده‌های مرتبطی که بر تعارض‌ها و تضادهای نظریۀ موجی دلالت می‌کردند، به تحقیق و پژوهش پرداخت. وی به تشریح و توصیفِ ریاضی این پدیده‌ها مبادرت کرد که به نتایج هردم شگفت‌آورتری انجامید. به نظر می‌آمد که این نتایج با اصول اساسی فیزیک کلاسیک، آن‌چنان که دوصدسال پیش در زمان نیوتون فهمیده و درک شده بودند، در تعارض هستند.
در چهاردهم دسمبر سال ۱۹۰۰، پلانک به نتیجه‌یی 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 آن‌چه از شعور متعارف (و نظریه‌های موجی و ذره‌یی نور) برمی‌آید، نه جذب و نه به صورت شارش پیوسته گسیل می‌شد. در عوض به صورت رگبارهای جداگانۀ انرژی، بیشتر شبیه به ذرات، گسیل یا جذب می‌شدند. وی هر یک از این رگبارهای جداگانۀ انرژی را کوانتوم، برگرفته از کلمۀ لاتین quanta به معنای “چه تعداد”، نامید. اندازۀ این کوانتوم‌ها به بسامد موج نور فردی بسته‌گی داشت.
به نظر می‌رسید که نور تعارض‌آمیز، در عین حال هم متشکل از امواج و هم ذرات است. این امر به‌راستی 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 رابطۀ بین نور و ماده را تشریح می‌کند. این نظریه در مورد ماهیتِ خودِ نور اعمال نمی‌شد. وی اطمینان داشت که رگبارهای گسستۀ 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 چه‌گونه می‌افتد. نظریۀ کوانتومی داشت پای بر عرصۀ علم می‌نهاد، اما حتا در نظر بنیان‌گذارش نیز عمدتاً غیرقابل توجیه و غیرقابل توضیح بود.
و این انشتین بود که سرانجام راه‌حلی برای این مسأله ارایه 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. انشتین نظر و ایدۀ خود را در قالب برهان ریاضی ـ فیزیکی دقیق در مقالۀ تاریخی ۱۹۰۵ خود: “دربارۀ دیدگاه اکتشافی مربوط به تولید و انتشار نور” تدوین و فرمول‌بندی کرد. انشتین 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 حتا در نهایت سست‌بنیاد و غیرقابل دفاع” است.
بنابر نظر انشتین، 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 موج‌گونه 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 حوزۀ فیزیک کلاسیک گسترش می‌یافت. در آن‌جا که به نور ربط پیدا می‌کرد، راه‌حل انشتین به معنای پایان قطعیِ 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. چه‌گونه 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، بلکه علم درصدد برمی‌آمد آن را تشریح کند؛ به طریقی (چه متناقض یا سازگار) که بتوان آن را برای توضیح دادنِ پدیده‌ها و تعیین کردنِ معرفت و دانشِ آینده به کار گرفت.
“دیدگاه اکتشافی” انشتین (مبتنی بر پدیده‌های مشاهده‌شده به جای نظریۀ جامع) اثر فوتوالکتریک را توضیح می‌داد، اتر را هم توجیه می‌کرد و دلیل قانع‌کننده‌یی 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 مادۀ موهوم نبود. (انشتین، 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 برانداختنِ اتر و حذف موجودیت آن، انتقام خود را گرفت.)
نظریۀ جدید نور انشتین، برخی ناهنجاری‌ها را نیز توضیح می‌داد که در فیزیک کلاسیک بروز کرده بودند. چنین دیدی مکانیکی به جهان، آشکارا حدّ نهایی و نهایتِ این نوع دیدگاه‌ها نبود. هرچند دید انشتین به نور شباهتی جدی به فرمول‌بندی نادقیق و مخدوش نیوتون در دوصد سال قبل از آن داشت، به معنی پایانی برای فیزیک نیوتون هم به شمار می‌آمد. برهان فیزیکی ـ ریاضیاتی انشتین، صحنه را برای ورود نظریۀ کوانتومی مهیا کرد و مفهوم اولیۀ پلانک (کوانتوم) را بنیاد ماهیتِ نور قرار داد.
اما پلانک موضوع را از این وجه نمی‌نگریست. وی از حرف‌ونظرِ خود عدول نکرد و کوتاه نیامد، در حالی که تأکید می‌ورزید کوانتوم‌ها فقط به رابطۀ نور و ماده اشاره می‌کنند. تا سال ۱۹۱۲، پلانک هنوز هم طی درس‌ها و کنفرانس‌هایش در دانشگاه برلین، کماکان به دیدگاه اکتشافی انشتین 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 اصولِ منطق عدول کند. از سال ۱۹۱۵ دریافت، فهم و تأیید نظریۀ انشتین شروع شد، زیرا شواهد آزمایشی و تجربی به نفعِ آن هرچه انکارناپذیرتر می‌شدند. در دهۀ ۱۹۲۰ نظریۀ کوانتوم به عنوان یکی از پیشرفت‌های عمدۀ قرن بیستم شروع به بروز و ظهور کرد. پلانک جایزۀ نوبل فیزیک سال ۱۹۱۹، و انشتین جایزۀ نوبل ۱۹۲۱ را دریافت داشتند. (انشتین این نهایت تمجید و تحسین را نه به‌خاطر نظریۀ نسبیت، بلکه برای کارهایش در حوزۀ نور و کوانتوم کسب کرد.) در زمینۀ عملی، نظریۀ نور انشتین در آینده نقش پیشاهنگی را در تکوین و ساختِ 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 چه‌گونه در فضا منتقل می‌شود، خواب از چشم انشتینِ کوچک ربوده بود: بیست سال پس از آن شب‌بیداری، توضیح وی از این پدیدۀ فیزیک را دگرگون کرد.
پی‌نوشت‌ها:
۱- 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): 132–۱۴۸٫
۲-Corpuscular theory.
۳- حالا که موضوع اتر کلاً حل شده و همه می‌دانند اتر وجود خارجی ندارد، ظاهراً مؤلف باید به‌جای قید “متأسفانه” قید “خوشبختانه” را به کار می‌برد، اما این‌جا مؤلف از دیدگاه آن زمانه صحبت می‌کند که تردید در وجود اتر امری ناروا می‌بود.

اشتراک گذاري با دوستان :

Comments are closed.