مقدمه
جي . رابرت . اوپنهايمر در كتاب علم و فرزانگي در رابطه با سرگذشت كوانتوم چنين مي گويد : « شايد هرگز تمامي تاريخ اين حادثه روايت نشود . براي عرضه كردن آن هنري به آن اندازه توانا لازم است كه براي روايت كردن سرگذشت اوديپوس يا كرامول ضرورت داشته است ، ولي اين حادثه در قلمروي چندان دور از تجربه هاي روزانه ي ما صورت پذيرفته است كه كم تر احتمال آن مي رود كه شاعر يا مورخي از آن با خبر شود . »
اين داستان ، سرگذشت انقلابي پر تلاطم است ؛ سرگذشت فروپاشي و انقراض فيزيكي از خود راضي است كه ساليان دراز بر حوزه اي محدود فرمان رانده بود و سرگذشت دوران فطرتي است كه نابودي اش را از پيش تناقضات دروني اش رقم زده بودند ، و سرانجام سرگذشت ظهور توفان آساي نظامي از هفت آب گذشته يعني مكانيك كوانتومي است .
درآمد
 در آزمايشگاهي كاملاً تاريك ، ماشيني الكتريكي قرار گرفته است و روي آن دو كره ي فلزي سوار شده است . اين همان ماشين متعارف ايجاد جرقه هاي الكتريكي است كه زائده اي كوچك هم بر آن اضافه شده است .دو صفحه ي فلزي با ميله هاي رساناي باريكي به اين كره ها متصل شده اند .
در روي ميز ديگر ، حلقه ي ساده ي تقريباً از سيمي سخت و محكم بر پايه اي عايق سوار شده است . از نظر آزمايشگر شكاف كوچكي كه در اين حلقه است چزء اصلي دستگاه به شمار مي آيد . اگر درست حدس زده باشد ، در همين جا ست كه راز از پرده بيرون خواهد افتاد .
همه چيز آماده است ، آزمايشگر كليدي را وصل مي كند تا جرقه ها با سر و صدا بين دو كره رد و بدل شوند . او از جرقه ها روي بر مي گرداند و مدتي منتظر مي ماند تا چشمش به تاريكي عادت كند . آيا اين كه او مي بيند شكاف حلقه از فروغ ضعيفي پر شده است حقيقت دارد يا تصوري بيش نيست ؟ پاسخ دادن به اين پرسش آسان نيست . ممكن است فقط بازتاب نوري باشد . به آرامي پيچي را كه دو سر حلقه را به هم نزديك مي كند مي چرخاند . با باريك تر شدن شكاف ، فروغ درخشان تر مي شود . باز هم دوسر حلقه را به هم نزديك تر مي كند تا سرانجام تقريباً با هم تماس پيدا مي كنند . حال ديگر ترديدي باقي نمانده است .
به همين سادگي بود كه آدمي براي نخستين بار زيركانه به وجود سيگنال راديويي پي برد .
اين واقعه در سال 1887 روي داد و آزمايشگر ، يك فيزيكدان برجسته ي آلماني بود به نام هاينريش هرتز .
ارزش اقتصادي اين كشف بي اندازه بود . پس چرا انسان قابلي چون هرتز امتياز هاي بهره برداري از آن را براي ماركوني واگذاشت ؟
چيزي كه هرتز را به انجام آزمايش هاي دوران سازش واداشت ، به هيچ روي فكر ابداع چيزي عملي چون تلگراف راديويي ( تلگراف بي سيم ) نبود . شايد تلگراف راديويي هم مهم ترين حاصل اين آزمايش ها به شمار نمي رفت . هرتز سدي را مي شكست كه مدتي مديد دانشمندان را از پيشرفت بازداشته بود : آزمون درستي نظريه اي رياضي كه به نور ، الكتريسيته و مغناطيس مربوط مي شد و سه سال پيش تر از سوي جيمز كلرك ماكسول ، فيزيكدان اسكاتلندي ، مطرح شده بود . و ستايش اين آزمايش از سوي همگان به دليل اين بود كه هرتز توانسته بود اين واقعيت را به طريق تجربي اثبات كند . اما مقدر بود كه اين پديده ي ظاهراً پيش پا افتاده و بي اهميت ، در دست اينشتين نقش خطيري در انقلاب كوانتومي بازي كند .
براي آن كه ارزش كار ماكسول و هرتز و تمامي سرگذشت كوانتوم را بفهميم ، بايد نخست نگاهي كوتاه به بعضي از نظريه هايي بپردازيم كه آدمي درباره ي نور پرداخته است . گرچه در دوران معاصر ، دانشمندان يهودي برجسته اي وجود داشته اند ، ولي حكماي عبراني باستان مايه ي چنداني در پژوهش علمي از خود نشان ندادند . ايشان با اداي اين گفته كه " و خدا گفت نور باشد ؛ و نور شد " ، از كنار مسئله ي نور به سرعت گذشتند تا به مسائل مهم تري بپردازند . نور در نزد آن ها چيزي بيش از ضد تاريكي ، و شرطي براي توانايي ديدن نبود .
اما يونانيان با شم علمي قوي تري ، ايده ي نويني را با اهميت بسيار مطرح كردند . آنان درك كردند كه بايد چيزي وجود داشته باشد كه در فاصله ي ميان چشمان ما ، چيز هايي كه مي بينيم ، و چراغ هايي كه آن ها را مي افروزند ، پلي ارتباطي برقرار كند . لذا به نور واقعيتي عيني بخشيدند و به مطالعه اش برخاستند ونظريه هايي پيرامون آن پرداختند . هنگامي كه دانشمند امروزي از نور سخن مي گويد يك چنين چيزي در ذهن خود دارد . تمايز ميان صرف قدرت ديدن ، و نور عيني تمايزي مهم است ، درست مانند تمايزي احساسي كه از اصابت سنگ به آدمي دست مي دهد و خود سنگ كه فضا را مي پيمايد تا به هدف اصابت كند .
متأسفانه ، يونانيان پس از آغازي چنين درخشان ، درگير نظريه هاي متضاد شدند . يكي از اين نظريه ها مي گفت نور چيزي است كه مانند آبي كه از مجرايي تنگ بيرون مي آيد ، از چشم ها جريان پيدا مي كند . بر پايه ي اين ايده ، وقتي يك شيء را مي بينيم كه اين جريان نور را به سويش متوجه كنيم تا با آن برخورد كند ؛ همان طور كه مثلاً يك نابينا با پيش بردن دست ها و لمس كردن چيزي ، آن چيز را « مي بيند » . اين نظريه اين نكته را توضيح مي دهد كه هرچيز را تنها هنگامي مي بينيم كه روبه رويمان باشد ، و نيز اين كه با چشمان بسته نمي توانيم ببينيم ؛ اما نمي تواند توضيح دهد كه مثلاً چرا در تاريكي نمي توانيم ببينيم . در گيرودار پاسخ گويي به اين ايراد ها ، افلاطون فيلسوف نظريه اي پرداخت كه بي گمان ، در فراواني ساز و كارهاي زائد ، بي همتاست . او برهم كنشي سه گانه ميان سه جريان مختلف قائل بود ، يكي از چشمان ، يكي از آن چه ديده مي شود ، و يكي از چراغي كه آن را روشن مي كند ! مشكل افلاطون در كج نهادن خشت اول بود . بر مبناي ايده هاي جديد ، هر شيء به اين علت ديده مي شود كه نور از آن به چشم ما وارد مي شود نه اين كه از چشمان خارج شود ، و جالب اين جاست كه اين نكته ، يكصد سال پيش از افلاطون ، از جانب فيثاغورث بزرگ ، با قوت تمام مطرح شده بود . نظريه ي فيثاغورثي ساده است . بنابراين نظريه ، نور چيزي است كه كه از هر جسم درخشاني در تمام جهات جريان پيدا مي كند و پخش مي شود ، فقط در برابر موانع فوراً به عقب برمي گردد . اگر نور ، سرانجام به طور تصادفي وارد چشمان شود ، در ما احساس ديدن چيزي را به وجود مي آورد كه نور در واپسين مرحله از روي آن جهيده است .
براي توضيح اين كه نور چگونه فضا را درمي نوردد تا پيامش را به چشمان ما برساند ، همان طور كه مي دانيد دو نظريه ي متفاوت مطرح شد : نظريه ي ذره اي و نظريه ي موجي.
اما كدام يك از اين دو نظريه درست است ؟
سر آيزاك نيوتون ، كه تمامي كشفيات بنياني خود را در ديناميك ، گرانش ، حساب ديفرانسيل و انتگرال ، و بسياري ديگر از شاخه هاي علم تنها در دوازده سال فعاليت علمي انجام داد، در خلال آن دوران فرصتي يافت تا در نورشناخت هم به پيشرفت هاي مهمي نائل آيد . او ترجيح داد نظريه ي ذره اي را به كار گيرد ، زيرا پي برد كه انتشار امواج در همه ي راستا ها حركت راست خط نور را توجيه نمي كند . در واقع ، در آن زمان به بسياري ازحقايق دقيق در پيرامون نور كه ظاهراً با تصوير ذره اي جور نبود ، پي برده بودند . اما نبوغ نيوتون با اندك زحمتي بر چنين مشكلاتي چيره شد . آخر كار ، او فقط با كمي پيچيده تر كردن مطلب ، موفق شده بود هرچه را تا آن موقع در مورد نور دانسته بودند ، عملاً توضيح دهد . اما ، اكنون ديگر ذرات او بي اهميت نبودند . حقايقي تجربي او را مجبور كرده بود كه به قدرت بازتابيده شدن اين ذرات ، اوج و حضيض دقيق و شگفتي ببخشد .
هرچند هواداران نظريه ي موجي در زمان نيوتون كم نبودند ، اما در رويارويي با اين نبوغ غول آسا كه در برابرشان قد بر افراشته بود ، شانس پيروزي اندكي داشتند . طراحان نظريه ي موجي ، به رهبري هويگنس ، فيزيكدان هلندي ، پايه هاي اصلي اميد هاي خود را بر اين واقعيت نهاده بودند كه ذرات بايد يكديگر را واجهانند ، در حالي كه تجربه ي واقعي عكس اين مطلب را نشان مي داد ، يعني نشان مي داد كه دو باريكه ي نور بدون تحمل هيچ گونه خسارتي همديگر را قطع مي نمايند . اما ، اين مطلب به تنهايي براي نظريه اي كه با ذرات تپنده ي نيوتون رقابت مي كرد ، شالوده اي سست بود .
پس از مرگ نيوتون ، در حوزه ي نور و شيوه هاي ابداعي نويني كه رياضيات مربوط به حركت موجي را به كار مي گرفت ، كشفياتي تجربي به عمل آمد . نظريه ي ذره اي ، درست به خاطر سادگي و نبوغي كه در آن به كار رفته بود ، روزهاي تاريكي را مي گذرانيد . اين ايراد كه امواج در نزديكي كناره ها خم مي شوند ، هنگامي مطرح شد كه دريافتند امواج نور صرفاً موجك هايي اند به اندازه ي پنجاه هزارم اينچ كه فاصله ي قله اي تا قله ي ديگر آن هاست ؛ زيرا انتشار اين موجك هاي كوچك زياد چشمگير نيست . البته اين موجك ها برد انتشار اندكي دارند ، و مي توان محاسبه كرد كه معني اين انتشار جزئي ان است كه نور نبايد سايه هاي كاملاً شديدي بيندازد ؛ اما الگوي مشخص فريز هايي را در لبه ها ايجاد مي كند . عملاً پي بردند كه اين فريز ها حتي در زمان نيوتون وجود داشته و نيوتون در واقع براي ذكر علتي قانع كننده براي آن ها درمانده بوده است . تمام مدارك جديد ، تجربي يا نظري به طور قطعي از نظريه ي ذره اي كنار گذاشته شد ، و تقريباً صدسال بعد از مرگ نيوتون ، نظريه ي موجي به دست ا.ژ.فرنل فرانسوي به چنان درجه اي از دقت رسيد كه به جاي آن كه رقيبي شكست خورده باشد ، به فرمانروايي بي منازع تبديل شد . فرنل نظريه ي موجي نور را با چنان قدرت و ظرافتي تكامل داد كه هر تجربه ي ظريف و پيچيده اي كه تا آن موقع بازشناخته و انجام شده بود ، مي بايست توضيح خود را در آن بجويد . هنگامي كه استدلال بيشتري مبني بر خطا بودن نظريه ي ذره اي ضرورت پيدا كرد ، در آزمايش تعيين كننده ي ژ.ب.ل.فوكو فرانسوي ، كه بر مبناي آن سرعت نور عملاً در آب اندازه گيري شد ، يافته شد ؛ زيرا در همين جا بود كه اختلاف اين دو نظريه به طور قطعي آشكار شد ؛ نور در خلابا سرعت باورنكردني 186000مايل در ثانيه ( تقريباً 297600كيلومتر در ثانيه ) حركت مي كند . بنا بر نظريه ي نيوتون ، اين سرعت در آب حتي بايد بيشتر باشد . نظريه ي موجي تصريح مي كرد كه اين سرعت ( در آب ) كم تر است . علم مدتي دراز چشم انتظار كسي مانند فوكو باقي ماند تا رويه اي آزمايشي براي اندازه گيري اين سرعت هاي بسيار زياد طراحي كند : هنگامي كه اين آزمايش انجام شد ، نشان داد كه سرعت نور در آب درست همان مقدار كم تر از سرعت نور در هواست كه نظريه ي موجي ابراز داشته بود . ستاره ي نظريه ي ذره اي افول كرده بود ، و از آن پس نور جديدي در آسمان ها درخشيدن گرفت .
دلايل نظريه ي موجي از مدت ها پيش ترديد ناپذيربودند . اما ، اين نظريه هم خواهان دريافت حمايت قطعي تري بود . كوته زماني پس از فرنل ، در علوم كهن و تا حدودي هم راكد الكتريسيته و مغناطيس ، نوزايشي روي داد ، نوزايي چشمگيري در جهت پژوهش هاي تجربي مايكل فاراده ي انگليسي ، كه كشف القاي الكترو مغناطيسي و اختراع دينام توسط او شالوده ي دستاورد هاي تكنولوژي الكتريكي امروزي را تشكيل داد .
فاراده از رياضيات سررشته ي چنداني نداشت . اگر كس ديگري جاي او بود ، در چنين حوزه اي كه رياضيات پيشرفته اي مي طلبيد ، در برابر موانعي كه از ميان برداشتن آن ها ناممكن به نظر مي رسيد ، متوقف و سرخورده مي شد . اما همين براي فاراده موهبتي محسوب مي شد ، زيرا او را مجبور مي كرد كه به تنهايي كار كند و به خاطر توضيح دادن نتايج تجربي در نزد خويش ، يك سيستم تصويري شخصي ابداع كند . اين سيستم ، با سادگي بسيار و در ظاهر صرفاً غير رياضي ، بر مبناي چيزي استوار بود كه فاراده آن را « لوله هاي نيرو » ناميده بود ، و اگرچه در ابتدا رياضي دانان حرفه اي آن زمان به نحوي او را به ريشخند گرفتند ، اين سيستم از جهاتي بر سيستم هاي خود آن ها برتري داشت . اين رياضي دانان رمز و راز آثار الكترومغناطيسي را به طور عمده در توده هاي فلزي و سيم پيچ هايي كه آن آثار را پديد مي آوردند ، جست و جو مي كردند .
فاراده به هيچ يك از اين كارها دست نزد . از نظر او هيچ چيز كم تر از كل عالم مطرح نبود ؛ سيم ، آهنربا ، و ديگر چيز هاي كوچك جزئيات بي اهميتي بودند . اين دو ديدگاه در حالت ساده اي كه آهنربا توده اي براده ي آهن را جذب مي كند ، تفاوت ظريفي پيدا مي كنند . از نظر رياضي دانان چيز هاي اساسي در اين جا ، آهنربا ، آهن و فاصله هاي سانتي متري ميان آن ها بود . از سوي ديگر ، در نزد فاراده ، آهنربا توده ي معمولي ماده نبود بلكه يك اختاپوس عظيم با شكم آهني بود كه شاخك هاي حساس ، ناديدني و فراوان خود را در همه ي جهات تا دورترين حدود عالم مي گستراند . توسط همين شاخك هاي حساس بود كه فاراده ان ها را لوله هاي نيروي مغناطيسي ناميد ، و به همين علت بود كه آهنربا آهن را به سوي خودش مي كشيد . اين شاخك هاي حساس در نزد فاراده چيز هاي مهمي بودند ؛ واقعيت غايي همين ها بودند و نه خرده هاي ناچيز آهن .
فاراده با هر كشف تجربي مهر تأييد جديدي بر ايده هاي خود مي نشانيد . همه ي اين ها تا مدت ها فكر مي كردند لوله هاي نيروي او فاقد آن دقتي است كه يك نظريه ي رياضي طلب مي كند . سال ها بعد توجه ماكسول عميقاً به ايده هاي فاراده جلب شد .
نخستين گام ماكسول ترجمه ي ايده هاي ظاهراً پر راز و رمز فاراده به زبان رياضي آشنا تري بود . اين كار به خودي خود چيز كمي نبود ، اما هنگامي كه انجام شد ايده ي فاراده را به صورت يك جوهر تفكر رياضي نمايان كرد . يك مفهوم فيزيكي نوين مهم ، يعني ميدان ، كه بعداً شالوده ي نظريه ي نسبيت عام اينشتين را تشكيل داد ، از رهگذر همين تلاش ها زاده شد . ميدان الكترو مغناطيسي شكل كم و بيش رياضي پالوده شده ي لوله هاي نيروي فاراده است . به جاي اين كه به فضايي پر از شاخك ها ي مجزا فكر كنيم ، بايد فرض كنيم كه اين شاخك ها از جوهري فراگير ، به نام ميدان الكترومغناطيسي ، ناشي شده اند . بايد ميدان الكترومغناطيسي را به صورت يك واقعيت فيزيكي نهايي بپنداريم ، يعني جمع بندي تمامي آن تنش ها و كشش هاي بي شماري بدانيم كه وقتي آهنربايي آهني را مي ربايد ، وقتي دينامي جريان الكتريكي پديد مي آورد ، وقتي قطاري برقي حركت مي كند ، سرانجام وقتي راديويي صداي ما را به سراسر جهان مي رساند ، مي توانيم آثارشان را مشاهده كنيم . محمل همه جا حاضر اين كشش ها اتر ناميده شده است ، اما وظيفه ي حفظ تمايزي دقيق ميان اتر جديد و اتر نور رساني كه نظريه ي موجي نور آن را طلب مي كرد ، به اتر الكترومغناطيسي محول شد .
ماكسول تنها به اين مطلب بسنده نكرد كه ايده هاي فاراده را به زبان رياضي برگرداند ، بلكه در راه تكامل دادن پيامد هاي اين نظريه و گسترش قلمرو آن ، به تلاش خود ادامه داد . او خيلي زود به تناقض رسيد ، ظاهراً ، همه چيز با نظريه نمي خواند ، اما يافتن چاره ي كار هم آسان نبود . دانشمندان گوناگون ، و از آن ميان خود ماكسول ، به جست و جوي چاره برخاستند . نظريه ي الكتريسيته و مغناطيس هم اكنون چنان پالوده شده و به زبان رياضي در آمده بود كه وقتي ماكسول به كمك شهودي ناب و برپايه ي شباهت هاي بسيار نامطمئن به چاره جويي برخاست ، مجموعه ي معادلاتي را پيشنهاد كرد كه با معادلات پيشين فقط در شكل ظاهر جزئي اختلاف داشتند . اما اين معادلات جديد نه تنها تناقض را از ميان برداشتند ، بلكه مفهوم مهم و جديدي نيز ارائه كردند . بنا بر اين معادلات ، بايد چيز هايي مانند امواج الكترومغناطيسي وجود داشته باشند ، كه با سرعت نور حركت كنند و تمام خواص فيزيكي عمده ي شناخته شده ي ديگر نور را داشته باشند . در واقع ، اين امواج بايد همان چيزي باشند كه در راستاي توضيح همه ي مطالب شناخته شده درباره ي نور ، پيشنهاد شده بودند . وقتي معلوم شد كه جزئيات پيچيده ي نظريه هاي تابناك فرنل بدون هيچ استثنايي در دل معادلات الكترومغناطيسي جديد جاي مي گيرند ، همساني امواج الكترومغناطيسي با امواج نور ، و به اعتبار آن همانندي دو پديده اي كه دانشمندان در راه متمايز كردن آن ها رنج بسياري كشيده بودند ، ديگر اجتناب ناپذير به نظر مي رسيد .
پيش از آن كه اين نظريه پذيرفته شود ، ضرورت ايجاب مي كرد كه امواج الكترومغناطيسي فرضي ماكسول به ياري الكتريسيته در آزمايشگاه توليد شوند . معلوم شد كه اين كار مشكل است ، اما اين اشكال در توليد آن ها چندان نبود كه در پي بردن به اين كه آيا اصولاً توليد شده اند يا خير . با گذشت سال ها عدم موفقيت در آشكارسازي اين امواج ، ابراز ترديد نسبت به اعتبار ايده هاي ماكسول ، از سوي فيزيك دانان آغاز شد . اين ترديد ها مخصوصاً وقتي قوت گرفت كه ايده هاي نامبرده بر شالوده ي شباهت هاي نسبتاً سستي بنا نهاده شدند . اين نكته كه نظريه ي ماكسول بر روي كاغذ تا چه حد جالب است ، اهميت چنداني نداشت ؛ تا امواج الكترومغناطيسي را عملاً در آزمايشگاه آشكارسازي نمي كردند و خواصشان بررسي نمي شد ، در نهايت نمي توانستند آن را چيزي بيشتر از فرضيه اي بدانند كه بسيار جالب و نسبتاً هم مهم است .
ماكسول زنده نماند تا شاهد تأييد تجربي نظريه ي خود باشد . بيش از هفت سال از مرگ او نگذشته بود كه هرتز امواج الكترومغناطيسي را كه او پيش گويي كرده بود آشكارسازي كرد .
جرقه هاي ضعيفي كه از شكاف ساده ي حلقه ي هرتز مي گذشتند فقط نمايانگر اين واقعيت بودند كه آشفتگي هاي الكترومغناطيسي ، عرض آزمايشگاه را طي كرده اند . اثبات موج بودن اين آشفتگي ها پژوهش هاي دقيقي را مي طلبيد . هرتز با جا به جا كردن حلقه ي خود و مشاهده ي چگونگي تغيير شدت جرقه ها ، رفتار اين آشفتگي ها را به دقت مورد بررسي قرار داد . انجام اين كار با وجود جرقه هايي تا آن حد ضعيف كار ساده اي نبود ؛ با همه ي اين ها هرتز با وسايلي بسيار ابتداعي و ناقص ثابت كرد كه اين آشفتگي ها بازتابش ، شكست ، و ساير ويژگي هاي موج گونه را نشان مي دهد ؛ ضمناً طول موج آن ها را نيز اندازه گرفت . اندازه گيري هاي بعدي نشان داد كه آن ها با سرعت نور حركت مي كنند ؛ به اين ترتيب ترديدهاي بيهوده اي را كه نسبت به رفتار آن ها مطابق پيش گويي ماكسول و شباهت بنيانيشان با امواج نوري وجود داشت ، از ميان برداشت . اهميت راستين كار هرتز نه در تلگراف راديويي ، بلكه در اثبات صحت نظريه ي ماكسول بود .
نظريه ي ماكسول نظريه اي پرمايه بود ، به جاست اين سؤال را مطرح كنيم كه برخلاف آن چه با حواسمان درمي يابيم ، چگونه مي توانيم ادعا كنيم امواج راديويي و نوري مشابهند . تفاوت آن ها در بسامد امواج يا تعداد ارتعاشاتي كه در هر ثانيه انجام مي دهند ، نهفته است . قبلاً در نظريه ي موجي قديمي تر ، و حتي در نظريه ي ذره اي نيوتون ، اين اختلاف بين رنگ هاي گوناگون خود را نشان داده بود . بايد اين نظريه به ساير شكل هاي تابش گسترش مي يافت . همان طور كه مي دانيد امواج نوري كم بسامد به نور قرمز مربوط اند . با افزايش آهنگ ارتعاش ، اين رنگ به نارنجي ، آن گاه زرد ، و سپس به ترتيب رنگ هاي رنگين كمان ، و بنفش تيره تغيير مي كند .
اما چرا در كرانه هاي طيف مرئي متوقف مي شوند ؟ براي دست يابي به تصويري كامل از اين موضوع ، روي داد هاي بعدي را پيش بيني مي كنيم . با زياد و زيادتر شدن بسامد به نور نامرئي ، فرابنفش ، آن گاه پرتوهاي x، و سرانجام پرتوهاي گاماي ناشي از راديوم و مواد ديگر پرتوزا ، و به برخي از عناصر تشكيل دهنده ي پرتوهاي كيهاني مي رسيم . با دنبال كردن بسامد هاي پايين تر از امواج نوري قرمز ، از پرتو هاي فروسرخ ، و پرتوهاي گرمايي مي گذريم و سرانجام به امواج راديويي ماكسول و هرتز مي رسيم . عاقبت دريافتند كه اين گونه هاي متفاوت تابش جملگي يك چيزند و تنها تفاوت آن ها در بسامد ارتعاش است : مي توان گفت اين فقط رنگ آن ها ست كه فرق مي كند و خواص اين ها همه با پديده ي الكتريسيته و مغناطيس ، و با مكانيك نيوتوني ، پيوند سختي يافته بود . همين يگانگي مهم حاصل نظريه ي ماكسول است كه معياري از عظمت آن را به دست مي دهد .
با اين وجود ، هرتز در سال 1887 ، در همان آزمايش هايي كه وجود امواج ماكسول را تأييد كرد ، از روي دادِ شگفتي نيز خبر داده بود . اين روي داد از نظر او چنان كم اهميت بود كه به زحمت به تفسيرش مي ارزيد : وقتي كه نور از جرقه هاي درخشان دستگاه هاي انتقال دهنده ي او به دو سر باز حلقه اش مي تابيد ، جرقه هاي كم سو در آن شكاف با سهولت بيشتري پديد مي آمد.
كوانتوم به تصور مي آيد
در سال 1887 هرتز به اين واقعيت شگفت پي برده بود كه وقتي نور فرابنفش بر دستگاه هاي او مي تابد ، ايجاد جرقه ها نسبتاً آسان تر است .
او نمي دانست كه يكي از روشن ترين و بي واسطه ترين شواهدي كه بر وجود كوانتوم دلالت مي كند ، و در حال حاضر هم چنين است ، در همان دريافت او نهفته است . جهان هنوز آمادگي نداشت كه چنين موهبت گران قدري را دريابد و پاس دارد . براي بازشناسي كوانتوم تا پايان قرن انتظار كشيدند ، و با آغاز قرن جديد ، اين بازشناخت از سويي كاملاً متفاوت ميسر شده .
تسليم رسمي كوانتوم به علم فيزيك با چيزي به نام « فاجعه ي بنفش » رابطه دارد . فاجعه ي بنفش به طور خلاصه چنين است : اگر كسي محاسبه كند كه جسمي چگونه پس از گرم شدن برافروخته مي شود ، به فرمولي رياضي دست مي يابد كه حاكي از تمام انرژي است كه مدت ها پيش در روند يك انفجار فاجعه آميز تابش فرابنفش از ماده خارج شده است .
فقدان چنين رويدادي دليل بر رسيدن به نتيجه اي است مبني بر اين كه فرمول نادرست است . با اين همه ، اين نتيجه گيري ها خيلي هم بد نبودند . در واقع در مورد نور كم بسامد نتايج خوبي هم به بار آوردند . در مورد نور پربسامد بود كه اين فرمول به فاجعه ي موهوم پرهياهو و با آوازه اي كشيده شد .
مسير ديگر حمله به مسئله ي جسم تابان ، به فرمول رياضي ديگري انجاميد ، كه به طور موفقيت آميزي از فاجعه ي بنفش دوري مي جست ، و با تجربه ي نور پربسامد سازگاري فوق العاده داشت .
بنا بر اين ، آيا اين فرمول مسئله را حل كرد ؟ به هيچ وجه ، زيرا پي بردند كه فرمول اولي براي بسامد هاي پايين بسيار عالي و براي بسامد هاي بالا غلط است ، در حالي كه فرمول دوم ، كه براي بسامد هاي بالا بهتر از آن وجود نداشت ، در بسامد هاي پايين صدق نمي كند . نيمي از هريك از اين دو فرمول درست بودند .
خلاصه ، هنگامي كه ماكس پلانك ، استاد فيزيك نظري دانشگاه برلين ، سلسله پژوهش هاي تعيين كننده ي خود را آغاز كرد ، چگونگي امر در اين حوزه ي علم بدين منوال بود .
پلانك ابتدا به حدس زني نسبتاً محضي تن درداد . او تأثير راه هاي گوناگون كاربرد نا مطلوب اين دو فرمول ناقص را آزمود تا اين كه در سال 1900 به فرمول رياضي منحصر به فردي برخورد كرد كه براي بسامده هاي پايين ، درست مثل اولي بود و براي بسامد هاي بالا ، كاملاً به دومي شباهت داشت . اين جا واقعاً هيچ گونه استدلال اساسيي لازم نبود . تا حد زيادي يك كار سرهم بندي تجربي و فرصت طلبانه بود ، درست ماند يك دست لباس منحصر به فرد كه شلوار آن را از يكي به وام گرفته باشند و كتش را از كس ديگري . پلانك به كمك بخت مساعد و دقت نظر عالي موفق شد اين شلوار و كت را با هم جور كند ، چنان كه لباس حاصل از آن كت و شلوار جداگانه ارزش بسزايي يافت .
سازگاري اين فرمول جديد ( به نام فرمول تابش ) با آزمايش فوق العاده عالي بود . اما پلانك خود را در وضعيت پسربچه اي مدرسه اي مي يافت كه با مهارت تمام موفق شده است به جواب مسئله ها ، نگاه دزدانه اي بيندازد ، و دريابد كه اين مسئله ها آن طور هم كه خيال مي كرده دشوار نبوده اند . پلانك روي هم رفته ، براي اين كار خود كه همانا يافتن نوعي توجيه نظري براي فرمولي بود كه اين طور ساده طرح كرده بود ، زياد هم از آمادگي دور نبود . پژوهش هاي طولاني و ناتمام ، اين تصور را براي او پيش آورد كه تنها يك چيز جدي مي تواند نويد رهايي از اين بن بست را بدهد . او مسلح به اين ايمان كارساز ، با چنان تمركز ذهني شديدي در زمينه ي اين مسئله به كار پرداخت كه تنها چند هفته اي سپري نشده بود كه پاسخ را يافت ؛ پاسخش چندان بدعت گذارانه بود كه هفده سال پرماجرا و حادثه گذشت تا به ربودن جايزه ي نوبل موفق شد .
توصيف دقيق استدلال پلانك مارا به وادي تجريد رياضي خواهد كشانيد ، اما شايد بتوان چيزي از روح اين كار او را به كمك روايتي نسبتاً ساده نقل كرد ، روايتي كه هرچند بيان مو به موي برهان او نيست اما دست كم از دقتي ماهرانه برخوردار است و تا حدودي كيفيت و ويژگي كلي آن را ، هم چون يك تمثيل ، در خود دارد . اگر هم اين داستان با دقتي وسواس آميز بازگو شود ، خيلي هم كسل كننده نخواهد بود .
با يك كلك رياضي ، كه يونانيان مبتكر آن بودند ، يك رشته تضاريست هاي كوچك را كه از لحاظ رياضي قابل محاسبه تر اند ، به جاي منحني هاي هموار قرار مي دهند . اين كلك بنيان حساب ديفرانسيل و انتگرال است ، كه در جنبه هاي كلي خود كار ساده اي است . مثلاً اگر بخواهيم طول محيط دايره اي را به قطر يك اينچ محاسبه ( ونه اندازه گيري ) كنيم ، در مي يابيم كه محاسبه ي اين محيط هميشه هم از لحاظ رياضي مناسب نيست . ما كار خود را با محاسبه ي چيزي آغاز مي كنيم كه زمينه ي ذهني استواري را فراهم كند .
از اين رو ، در مورد محيط نام برده ، دايره را با گذاردن چهار ، هشت ، يا شانزده و ... نشانه ، به اجزاي مساوي تقسيم و آن ها را با خطوطي راست ، به هم وصل مي كنيم . در مورد هريك از اين چند ضلعي هاي منظم مي توانيم كل پيرامون را محاسبه كنيم ، و آشكار است كه اين اضلاع هرچه كوچك تر باشند ، جمع كل طول آن ها به محيط دايره نزديك تر خواهد بود . مثلاً ، مجموع كل پيرامون يك شانزده ضلعي از مجموع اضلاع مربع به محيط اين دايره نزديك تر است . آن چه رياضي دان انجام مي دهد ، محاسبه ي پيرامون شكلي است كه شمار اضلاع آن را تعداد زيادي مي گيرد . از اين رو پس ازآن كه او اين محاسبه ي كلي را انجام مي دهد ، ناگهان ضمن آن كه افزايش بدون محدوديت اين اضلاع را در فرمولش مجاز مي دارد ، اين پيچ و تاب ها را هموار مي كند . در اين روش تا مادامي كه فرمول كلي به دست آيد ، به آن همواري رام نشدني اجازه ي دخالت در جزئيات محاسبه داده نمي شود . در ضمن ، محيط دايره اي با قطر واحد را با حرف يوناني نشان مي دهند ، و اين عددي است كه به طور ناگهاني در نظريه ي كوانتوم رخ مي نمايد . تقريباً 14/3 است اما اگر بخواهيم مقدار دقيق آن را بنويسيم ، شديداً اعتراض مي كند و همانند سواره نظامي بسيار ورزيده ، فراتر از تحمل و شكيبايي انسان ره مي سپرد و رفتارش چنان است كه بي آن كه سايه اي از خود برجاي بگذارد ، تا جاودانگي پيش مي رود

= 3.14159265358979323846264338327950…
بار ديگر يه پلانك بازگرديم . او حتي پيش از سال 1900 نشان داده بود كه در راستاي اهداف خاصش مي توتند توده اي ماده را از طريق ذرات بي شماري كه با رفتاري موزون به بالا و پايين موج بر مي دارد ، نمايش دهد . برخي از آن ها به سرعت موج مي زدند و پاره اي آهسته تر . تمام بسامد هاي نوسان گنجانده مي شدند . پلانك اين ها را كه كار ساده اي انجام مي دادند نوسانگر ناميد ، كه انرژي گرمايي و نوراني را از طريق نوسان شديد جذب مي كردند و مجدداً با فراهم آوردن امكان فرونشست شديد و ناگهاني ، اين انرژي را پس مي راند . رفتارشان كاملاً به تاب خوردن كودكان ، كه كسي آن ها را با نوسان دم افزايي هل بدهد ، شبيه بود ؛ مي توانستند انرژي را چنان در خود نگه دارند كه اسفنج ، آب را .
توده ي ماده ، از طريق گرم شدن انرژي جذب مي كند . پلانك ، با به كارگرفتن مدل ساده ي خود ، محاسبه كرد كه ماده چگونه گرما و نور را در هر دمايي نگه مي دارد آن گاه پس مي دهد . از آن جا كه او به تغييرات آرام مقدار انرژي جذب شده و گسيل شده مي پرداخت ، براي توصيف اين تغيير تدبيري انديشيد كه بر پايه ي آن ، تغييرات آرام جاي خود را به تغييرات تضاريستي مي سپرد كه او مي توانست آن ها را محاسبه كند . او براي تكميل كردن اين محاسبات ، همان طور كه انتظار داشت ، دريافت اگر تضاريست هاي انرژي را به روش متداول هموار كند ، مستقيماً به فاجعه ي بنفش باز مي گردد . او از پيش جواب مسئله را مي دانست . پلانك از همان آغاز آماده بود كه هر فرصت معقولي را براي دريافت پاسخ درست ، غنيمت بشمارد ، حتي اگر به ازاي اين پاسخ درست اندكي خطا در محاسباتش راه يابد ، و در اين جا در خلال محاسبات خود به فرصتي در جست و جويش برخورد مي كرد كه فرصتي عالي اما نوميد كننده بود ؛ چرا كه اين فرصت مستلزم خطاي بسيار زيادي بود . اگر مي توانست خود را تا آن جا بكشاند كه با افكار هموار شدن تضاريست هاي انرژي با يكي از مقدس ترين سنت هاي فيزيك نظري درافتد ، مي توانست روشي را بيابد كه او را به پاسخي موافق با آزمايش برساند .
اما چنين ايده اي سرشار از خيال پردازي بود ؛ درست مثل اين كه كسي بگويد يك تاب مي تواند با دامنه اي يك متري ، يا دومتري ، يا سه متري ، يا چهارمتري ، و الي آخر ، نوسان كند ، اما نه با دامنه هايي مثلاً يك و يك چهارم متري ، يا مقدار ديگري بين اين اعداد . حتي كودكان نيز مي توانستند به خيالي بودن اين ايده پي ببرند . اما اين ايده به پاسخي صحيح انجاميد ...
اگر پلانك به هر چيزي امكان هموارشدن مي داد ، بسامد هاي بالا عملاً تمام انرژي خود را مي بلعيدند و فاجعه پيش مي آمد . او مي بايست به نحوي از اين فاجعه پيش گيري كند . رها كردن تضاريس انرژي به خودي خود مسئله را حل نمي كرد ، اما فرصتي به دست مي داد تا تمييز گذاريي را كه تحت قوانين كلاسيك غير قانوني بود ، عليه بسامد هاي بالا بيازمايند . چرا كه اگر پلانك مقرر مي داشت انرژي بايد در پيمانه هاي منظم رها شود ، پس مي توانست گامي به پيش بردارد و بسامد هاي بالاي متمرد را با صدور حكمي به مجازات برساند تا آن ها در پيمانه هايي گردآيند كه از بسامد هاي پايين خيلي بزرگ تر باشند . بنابر اين يك بسامد پايين مي توانست به سهولت مقدار كمي انرژي را كه براي پيمانه اش نياز داشت ، بيابد . اما احتمال بسيار اندكي وجود داشت كه يك بسامد بالا سهميه اي را كه تعهد كرده بود بيندوزد .
پلانك با سود جستن از يك كلمه ي مناسب ، كه از پيش حتي در نوشتارهاي علمي و در حوزه هاي ديگر عملاً شناخته شده بود ، اين پيمانه يا سهميه را كوانتوم انرژي ناميد .
پلانك براي اين كه جواب درستي دريافت دارد ، فهميد كه بايد كوانتوم انرژي را براي هر بسامد ويژه ، مطابق با قاعده ي معيني – و از لحاظ رياضي ، قاعده اي بسيار ساده كه ممكن است از نظر فيزيكي مشكل باشد – جا بيندازد . او با وارد كردن كميت ويژه اي با نماد h ، اين فرمول مشهور و از ديدگاه اتمي انفجار آميز را بيان كرد : h بسامد =كوانتوم انرژي
كميت بنيادي h را كه پلانك عرضه كرد ، امروزه ثابت پلانك مي نامند و پرچم مباهات فيزيك جديد و نمد اصلي مبارزه طلبي عليه آن نظام كهن است . از زمان ارائه ي اين كميت به بعد ، رويدادهاي بزرگي اتفاق افتاده اند ، اما با همه ي اين ها مشكل بود كه آدمي يكي را از آن ميان بزرگ بنامد . مقدار اين كميت فقط عبارت بود از : 0,000,000,000,000,000,000,000,000,006,6…
معني كوچك بودن فوق العاده ي h اين است كه تضاريست هاي انرژي خيلي ضعيف اند . پلانك به هيچ وجه خشنود نبود . با وحشتي افزاينده كه از نگراني براي موقعيتش برمي خاست ،مي دانست كه ناچاربوده فرض تضاريس خود را در مرحله ي محاسباتش نقض كند . عجيب نيست كه او سال ها براي اصلاح نظريه ي خود تلاش كرده باشد ، تا ببيند كه آيا مي تواند بدون قرباني كردن جواب ، اين تضاريس ها را همواركند .
اما همه چيز بر وفق مراد نبود . اين تضاريس ها وجود داشتند . انرژي به شكل پيمانه جذب مي شد . كوانتوم هاي انرژي يكي از حقايق بنيادي طبيعت بودند ، و افتخار جاويدان آن ها نصيب ماكس پلانك شده بود .
پرده بالا مي رود
چهارسال از زندگي لرزان و مردد ايده ي پلانك مي گذشت ، و در اين مدت پدر تقريباً فرزند خود را ترك گفته بود ؛ تا اين كه در سال 1905 منشي اداره ي ثبت اختراعات سوئيس در برلن مطالبي خطير و گستاخانه ابراز داشت كه باعث شد ابداع در حال نزع پلانك زندگي از سر گيرد و توانا و مطمئن ، در سال 1913 ، در مسير برخورد محتومش با بور قرارگيرد .
چندي پيش از آن ، همين منشي اداره ي ثبت تبيين نظري كاملي از حركت معروف براوني ارائه داده بود . ، و تقريباً چهار ماه پس از ارائه ي كار تابناكش كه احياء كشف پلانك باشد ، نظريه ي نويني در ارتباط با الكتروديناميك اجسام متحرك ، كه اكنون آن را نظريه ي نسبيت خاص مي ناميم ، اعلام كرد . نام اين شخص آلبرت اينشتين بود . ايده هاي او چندان نومايه و شگفت انگيز بودند كه چهارسال طول كشيد تا براي پيوستن به هيئت علمي دانشگاه زوريخ از پناهگاه موقتش در اداره ي ثبت اختراعات فرا خوانده شود .
از نظر اينشتين ايده ي پلانك حتي از آن كه خود پلانك جسارت ورزيده و به تصور آورده بود ، انقلابي تر بود . بنابر نظرپلانك ، انرژي تنها به شكل بسته هايي وارد ماده مي شود ؛ و بيرون از ماده ، همان جا كه به شكل تابش در مي آيد ، بايد از قوانيني كه ماكسول بنياد نهاد پيروي كند . اما اينشتين نشان داد كه اين دو ايده معادل يكديگر نيستند ، و در جاي ديگر نشان داد كه اگر تابش نيز از بسته هايي تشكيل يافته باشد ، اين توازن وجود خواهد داشت .
تأثير كلي اين محاسبات چه بود ؟ اگر چيزي هم بود آيا براي پلانك زياني به بار نمي آورد ؟ آيا به اين معني نبود كه پلانك تازه به دوران رسيده با اصول پا بر جاي ماكسول به منازعه برخاسته است ؟ اين كار جسارت و بينش ژرف اينشتين جوان را طلب مي كرد كه فرياد سر دهد آن كه با پلانك سر ستيز دارد ، كسي جز ماكسول نيست .
آن جا پلانك ادعا مي كرد ماده انرژي را فقط به صورت بسته جذب يا گسيل مي كند ، اكنون اينشتين با گريز از موضوع ، اصرارمي كرد كه كوانتوم انرژي ، به جاي آن كه صرفاً رفتاري شبيه يك موج داشته باشد تا در معادلات ماكسول صدق كند ، بايد به نحوي شبيه يك ذره ، يك ذره ي نور ، كه ما آن را فوتون مي ناميم، رفتار كند .
اين طرحي انقلابي بود . اما اينشتين برگ هاي برنده اي در دست داشت ، كه قاطع تر از همه ي آن ها پديده اي بود كه هرتز در حدود بيست سال پيش متوجه آن شده بود .
از آن زمان به بعد مطالب فراواني درباره ي اين پديده گفته بودند . تامسون در انگلستان الكترون را كشف كرده بود ، ولنارد كه در آلمان زير نظر هرتز كار كرده بود ، با نشان دادن اين كه نور فرابنفش مي تواند الكترون ها را از سطوح فلزي تبخير كند ، مانند پرتو خورشيد كه آب سطح اقيانوس را بخار كند ، ساز و كار پديده ي هرتز را پي گيري كرده بود . و همين تبخير ، كه اكنون اثر فوتو الكتريك ناميده مي شود ، بود كه باعث مي شد جرقه ها آزادانه تر به حلقه ي هرتز وارد شوند .
اينشتين از تضاريس انرژي پلانك به ايده ي تكان دهنده ي اتمي بودن آن رسيد. اسفنجي را در يك نقطه در يك وان حمام در نظر بگيريد، مي توانيم آن را به توده اي از ماده ي تابان و آب حمام را به اتر تشبيه كنيم. بنا بر نظريه ي ماكسول، هنگامي كه اين اسفنج فشرده شود مطابق معمول آب خود را بيرون داده و امواجي در وان پديد مي آورد. اسفنج پلانك از نوعي بسيار نادر است. در واقع بيشتر شبيه خوشه اي انگور است تا يك اسفنج، خوشه شامل هزاران باد كنك كوچك با اندازه هاي گوناگون، و هر يك از آن ها پر از آب. وقتي اين اسفنج فشرده شود، باد كنك ها يكي پس از ديگري مي تركند. هر كدام در تك انفجاري سريع، محتويات خود را، به شكل مقداري آب به بيرون پرتاب، و امواجي از نوع ماكسول ايجاد مي كند. اما، اينشتين اسفنج را از وان بيرون كشيد. آب درون آن بكار نمي آمد. وقتي اسفنج خود را به آرامي فشرد، آب مانند قطره هاي باران به طور نامنظمي از آن فرو ريخت. تضاريس نه تنها از سازو كار دروني اسفنج ناشي مي شد، بلكه در ماهيت خود آب نيز نهفته بود چراكه آب حتي پس از آن كه از اسفنج بيرون آمده بود، به شكل قطرات باقي مي ماند.
تصور اينشتين بسيار شگفت بود. اين تصور از هر لحاظ به معني بازگشت به نظريه ي ذره اي قديمي نيوتون بود. حتي تپش هاي نيوتوني، با ايفاي نقشي اساسي در اين تصور حضور داشتند. زيرا آهنگ همين تپش ها در نظريه ي ذره اي به مثابه ي بسامد نور بود، و بسامد در اين جا بايد نقشي دوگانه باز مي كرد. نتنها بايد رنگ فوتون را تميز پذير كنند، بلكه بنا بر قاعده ي پلانك، بايد انرژي آن را نيز تعيين كنند.
اما چه كسي بود كه بتواند چنين نظريه ي خيال پردازانه اي را باور كند؟ آيا نظريه ي ذره اي را، يك صد سال پيش، با دلايلي بسيار قاطع، از ميان نرانده بودند، و آيا نظريه ي موجي از طريق دو خط پژوهشي مستقل وارد صحنه نشده بود ؟ نظريه ي ذره اي چگونه توانست اين اميد را در دل باور كند كه از پيروز هاي بي چون و چراي نظريه ي موجي براي خود نسخه اي بدلي بسازد. وانگهي، اين منشي اداره ثبت اختراعات چه كسي بود؟ او حتي استاد دانشگاه هم نبود. باز گشت به چيزي شبيه به نظريه ي ذره اي بايد در حكم پذيرش اين مطلب باشد كه نظريه ي قانع كننده و كاملاً تأييد شده ي پديده هاي الكترومقناطيسي از پايه نادرست است. با همه ي اين ها اينشتين در واقع نه خوش دلانه و ابهام آميز، بلكه دقيقاً و به طور كلي، در پي انديشه هاي ژرف واستدلالي توانا، چنين طرحي را پيشنهاد كرد.
اما آيا اين پيشنهاد تا آن حد هم جدي بود ؟ در حقيقت نظريه موجي در دو مكان متفاوت مستقل از يك ديگر، به ظهور رسيده بود، اما اكنون كار اينيشتين صرفا ارائه ي معياري هم ارز براي اين دو بيان مختلف از يك نظريه بود. به مدتي بيش از يك قرن همه ي آزمايش ها نظريه ي ذره اي را انكار كرده بودند. اما آيا رويداد هايي مانند فاجعه ي بنفش دسته كم نشان نداده بودند كه نظريه ي ماكسول نيز با دردسر مواجه شده است ؟ روي هم رفته، حتي در آغاز كار، در واقع اين جنگ خيلي هم نا برابر نبود.
اولين بار پلانك اين منازعه را به راه انداخته بود. اينشتين در مدت كوتاهي چيز هاي پردردسري براي نظريه ي موجي به وجود آورد. اينشتين و شارگردانش در تأييد ديدگاه جديد نور بارها به پيشرفت هاي مهمي نايل آمدند؛ اما آن چه كه برتر از همه باقي ماند توضيحي بود كه اينشتين براي اثر فوتو الكتريك ارائه داد.
در ابتداي امر ، در خصوص اثر فوتو الكتريك چيز خارق العاده و تقريباً معجزه آسايي وجود دارد . با وجود اين حتي از ديدگاه نظريه ي ماكسول طبيعي است كه نور بايد بر الكترون ها نيرو وارد آورد ، زيرا ماكسول نشان داد نور الكترومغناطيسي است ، و يك موج الكترومغناطيسي مسلماً بر ذره اي ذاتاً الكتريكي مانند الكترون ، تأثير مي گذارد . بنابر اين هيچ چيز شگفت انگيزي درباره ي صِرف وجود اثر فوتوالكتريك وجود نداشت . چيزي كه نظريه ي موجي را پريشان كرد اين موضوع نبود . شگفتي وقتي رخ نمود كه از سرعت الكترون هايي كه از فلز جدا مي شدند اندازه گيري هاي دقيقي به عمل آمد . اگر مي شد به نظريه ي ماكسول اتكا كرد ، بايد به ازاي افزايش شدت ، يا مقدار نور ، سرعت الكترون ها نيز افزايش مي يافت . اما آزمايشگران چيز ديگري يافتند . سرعت به همان مقدار قبلي باقي مي ماند . آن چه افزايش مي يافت شمار الكترون ها بود . اين آزمايش كننده ها دريافتند كه براي افزايش سرعت بايد بسامد نور افزوده شود و نه شدت آن .
در اين جا بين آزمايش و نظريه اختلافي پيش آمد ، كه با وجود آن كه اهميت چنداني نداشت ، اما همان قدر جدي بود كه فاجعه ي بنفش نظريه ي ماكسول در برابر توضيح حقايق ناتوان بود . ببينيم اينشتين چگونه هر چيزي را به ياري فوتون خود توضيح مي داد .
اينشتين آزمايش فوتوالكتريك را مانند نوعي سالن تيراندازي در نظر گرفت ، كه در آن فوتون ها را به مثابه گلوله مي گرفت و بيرون ريختن الكترون ها را مانند توپ هاي پينگ پنگي مي پنداشت كه با سرگرداني روي فواره هاي آب زير و رو مي شوند . به منظور افزودن شدت نور فرابنفش فقط لازم است تعداد فوتون هايي كه در هر ثانيه پرتاب مي شوند افزايش يابد . اين روند حتماً بايد در هر ثانيه به برخورد الكترون هاي بيشتري با فلز بيانجامد ؛ و دقيقاً همان چيزي است كه مشاهده كننده ها مشاهده كردند .
اثر بسامد با ظرافت تمام توضيح داده شد .زيرا بنابر قاعده ي پلانك ، بالارفتن بسامد نور به معني افزايش انرژي هر فوتون است . مانند اين كه از گلوله هاي سنگين تر استفاده كنند . بنابر اين ، هرچه بسامد بيش تر باشد ، الكترون تكان بيشتري مي خورد ، و هرچه تكان الكترون بيشتر باشد سرعت آن افزون تر است . اين را نيز آزمايشگران مشاهده كرده بودند .
وقتي اينشتين توضيح خود را درباره ي اثر فوتوالكتريك ارائه كرد ، درواقع هيچ اندازه گيري دقيقي از اندازه ي سرعت الكترون ها به ازاي تغيير بسامد نور ، انجام نگرفته بود . او در سال 1906 بر مبناي نظريه ي فوتون اين نظريه را پيش گويي كرد ، و رياضياتي كه براي فهم آن ضرورت داشت چندان ساده بود كه هر دانش آموز دبيرستاني آن را مي فهميد . آزمايش هاي بعدي كه در سال 1915 در امريكا به پژوهش هاي كلاسيك ميليكان منجر شدند ، فرمول اينشتين را با چنان دقت و كمالي به اثبات رساندند كه در زمينه ي تأييد يك نظريه ي علمي ، فقط تأييد نظريه ي موجي ماكسول به وسيله ي هرتز با آن قابل مقايسه است ! ماجراي جالب اين است كه همين اينشتين بود كه نظريه ي گرانش نيوتون را به اعتبار نظريه ي نسبيت عام خود ويران كرد ، بله هم او بود كه با نظريه ي فوتون هاي خود در احياي نظريه ي نور نيوتون نقشي چنين مهم ايفا كرد .
نظريه ي ماكسول در برابر اثر فوتوالكتريك قدرت عرض اندام نداشت و در مقابل بقيه ي ايده هاي كوانتومي اينشتين نيز بي اعتبار مي نمود . به محض آن كه مفهوم فوتون تأييد شد ، با كمال شگفتي دريافتند كه بسياري از پديده هاي خيلي مشهور اما كم اهميت تر ، كه از ديدگاه ماكسولي نمي شد آن ها را درك كرد ، برطبق ايده ي جديد كامل و دقيق اند . اينشتين و شاگردانش براي تدارك حملات خود ، از حوزه هاي گوناگوني هم چون فوتولومينسان ، گرماي ويژه ، و حتي فوتو شيمي ، مهمات فراهم آوردند . با هر گام پيش روي ثابت مي شد كه فوتون براي مسائلي كه از طريق مسئله ي موجي حل نشده باقي مانده ، رهگشاي بسيار ساده اي است . سرانجام در سال 1921 اينشتين جايزه ي نوبل را دريافت كرد ؛ اين جايزه اصلاً نه به خاطر نظريه ي نسبيت ، بلكه يه طور كلي به پاس خدمات او به فيزيك نظري ، و به ويژه به خاطر نظريه ي فوتوالكتريكش ، به او اهدا شد . دو سال پس از آن جايزه ي نوبل به نيليكان كه اندازه گيري هاي دقيقش ايده هاي اينشتين را در حدي بسيارعالي تأييد كرد ، تعلق گرفت .
اينشتين دشمني با نظريه ي ماكسول نداشت . نظريه ي نسبيت نه تنها مظهر كمال مفهوم ماكسولي ميدان است ، بلكه به همان زيبايي و ظرافت از نظريه ي ماكسول دفاع و آن را اثبات مي كرد كه خود نظريه ي ماكسول از نظريه ي موجي هويگنس و فرنل به دفاع برخاسته بود . نظريه ي نسبيت ايجاب مي كند كه هر قانون فيزيكي شرط اكيدي را برآورده كند . هنگامي كه قوانين شناخته شده ي فيزيك را در برابر اين شرط آزمودند يكي پس از ديگري رد شدند . ايده هاي قديمي اندازه گيري و هم زماني ، فضا و زمان و جرم و انرژي جملگي ناگزير به كناره گيري شدند . در تمامي علم ديناميك ، از جمله قانون مشهور گرانش نيوتون مي بايست تجديد نظر شود . از ميان همه ي آن چه شالوده ي فيزيك نظري بود ، تنها دو بازمانده ي عمده از گزند تندبادي كه همانا نسبيت باشد ، برجاي ماند . يكي از اين ها مجموعه ي قوانين بقاي جرم ، انرژي و اندازه حركت بود ، كه گفته مي شد هيچ يك از اين كميت هاي فيزيكي نه مي توانند از هيچ به وجود آيند و نه كلاً از بين بروند ؛ اما اين كميت ها با آن چه قبلاً تصور مي شد فرق كلي كرده بودند ! بازمانده ي ديگر معادلات ماكسول بود كه توفان را به سلامت از سر گذراندند . شكلشان ، به عنوان يادگاري ارزنده از نبوغ ماكسول ، بدون تغيير ، هم چنان مغرور برجاي ماند .
قوانين بقا كه كه در فيزيك قديمي تر سه قانون مجزا را تشكيل مي دادند ، اينك به ياري نسبيت در چنان وحدت جدايي ناپذيري به هم جوش مي خوردند كه ديگر جدا نمي شدند . جرم به صورت شكلي از انرژي و در حقيقت ، به صورت قوي ترين شكل متمركز انرژي شناخته شده جلوه گر شد ، و هر چند هم قدرت آن پوشيده بود ، گاهي گوشه اي از چشم انداز رها شدنش نمايان مي شد . اين قدرت به راستي عظيم بود . بنابر فرمول اينشتين ، انرژي ذاتي نهفته در توده اي ماده از حاصل ضرب جرم آن و سرعت نور ، و دوباره ضرب در سرعت نور محاسبه مي شود – كميتي كه به راستي سرگيجه آور است . مقياس انرژي اتمي نيز چنين بود . اكنون رها شدن جزئي از اين انرژي با نتايجي ويرانگر براي ژاپني ها و پيامد هاي خطير براي نوع بشر ، مشاهده شده است . با همه ي اين ها انفجار بمب اتمي با همه ي آثار ويراني اش تنها حاصل جزئي كوچك از كل انرژي نهفته در جرم آن است .
اتر قرباني اصلي كارهاي هراس آور اينشتين بود . او به هر طريقي كه استدلال مي كرد ، چه براي فوتون ها يا نظريه ي ماكسول و امواج ، اتر كه در حقيقت بدجوري داشت همه ي علت وجودي خود را از دست مي داد ، نغمه ي نا سازي بود . البته ، در يك نظريه ي محض ذره اي نور ، اتر بايد غير ضروري و زائد باشد . اما در نظريه ي نسبيت ، كه امواج الكترومغناطيسي ماكسول را هم به راحتي در بر مي گرفت ، گرچه اين امواج در چارچوب اين نظريه ي نوين حضور داشتند ، ديگر نيازمند اتري نبودند كه در آن به تموج درآيند . خودفضا و زمان ، كه اكنون توان خم كردن و انتقال امواج را در خود سراغ داشتند ، جانشين آن جوهر همه جا حاضر شده بودند .
با همين نيت نيك بود كه اتر ، درحالي كه به هدف هاي خود رسيده بود ، سرانجام مي بايست از دنياي فيزيك رخت بربندد . اتر در روزگار شكوفائيش ، با داشتن مفاهيم كاملاً متناقض دردسرهاي فراواني آفريده بود ، زيرا تيزهوش ترين انديشمندان را براي ساختن مدل هاي بسيار پيچيده ي مكانيكي كه كم ترين شباهتي به مدل اتر داشتند ، به خود مشغول داشته بود ؛ همان مغز هايي كه در صورت نبودن اتر باسرعت بيشتري ديواره ي مستحكم دژ پيشرفت علمي را فرو مي شكستند . عظمت اين كار درست برپايه ي نمونه اي از چند خصيصه ي ناسازگارارزيابي مي شود كه براي اتر بيان شد ( نه اين كه ديگر در نظريه ي كوانتومي نوين پديده هاي ناسازگار وجود ندارد ! ) . از آن جا كه اتر امواج نوري را با سرعتي شگفت منتقل مي كند ، و اين امواج از نوع ويژه اي به نام امواج عرضي اند ، اتر صرفاً نمي تواند يك ماده ي ژلاتيني باشد بلكه جامدي است با سختي بسيار ، به مراتب سخت تر از خالص ترين فولاد . با وجود اين ، گرچه اين ماده بايد هرگوشه و رخنه ي عالم را پر كند ، اما ماده ي جامد چنان شگرفي است كه نبايد كوچك ترين مقاومتي در برابر حركت سيارات به دور خورشيد بروز دهد كه محسوس باشد .
در زندگي نامه اتر ، مايه اي از تراژدي وجود دارد . ارزش خدمات بي منت و رايگاني كه اين ماده در نظريه ي موجي نور به مفهوم ميدان ارائه داده است ، براي علم بسيار باارزش است .
نخست اتر نور رسان را داشتيم .
سپس اتر الكترومغناطيسي را داشتيم .
و اكنون هيچ اتري نداريم .
موج يا ذره ؟
در قرن هفدهم نظريه ي ذره اي نور ، دست بالا را داشت . يكصد سال بعد بود كه نظريه ي موجي نور با آن به جدال برخاست . البته درقرن نوزدهم ، وصلت موج و نظريه ي الكترومغناطيسي ماكسول چنان باشكوه بود كه ذره احساس كرد بايد براي هميشه از بازيابي عظمت گذشته قطع اميد كند ، اما طلوع قرن بيستم شاهد تحول ديگري بود .
با اين همه ، موج در موضع دفاعي خوبي بود ، و ذره ي تجديدحيات يافته ، در عوض پيروزي سريع و قطعي ، تنها موفق شد فيزيك را درگير جنگ داخلي كند كه بيش تر از يك ربع قرن به درازا بكشد و چنان به سرعت گسترش يابد كه وقتي در سال 1927 آتش بس اعلام شد ، تمامي دانش فيزيكي به طور گريز ناپذيري درگير آن شده بود .
اولين طغيان عليه نظريه ي ذره اي نيوتون به اين واقعيت مسلح بود كه امواج ، و نه ذرات ، قادرند بدون هيچ گزند و آسيبي از ميان يكديگر بگذرند ، و اين همان پديده اي بود كه به گونه اي غريب « تداخل » نام گرفت .
از تداخل امواج بهره گرفتند تا توضيح دهند چگونه دانشمندان مي توانند از دو باريكه ي نور نه روشنايي بيشتر ، بلكه تاريكي به وجود آورند .فرض كنيد نور دو چراغ را روي يك ديوار كاملاً سفيد مي تابانيم . اين ديوار كم و بيش به طور يكنواخت روشن مي شود ، و اتفاقي نامعمول ، كه لازم باشد درباره ي آن بحثي به ميان آيد ، نخواهد افتاد . حتي اگر مي توانستيم چراغ هايي به كوچكي سر سوزن بيابيم ، كه روشني آن برابر روشني آذرخش باشد ، و با نوري تك بسامد بتابند ، بازهم نبايد چيز عجيب و نامنتظره اي اتفاق افتد كه به گفتنش بيرزد .
حالا فرض كنيد كه به جاي استفاده از دو لامپ مختلف ، لامپي را به كار بريم كه در آن واحد دو كار انجام دهد . مثلاً از طريق دو روزنه ي كوچك به يك پرده بتابد . در اين صورت آن نمود روي ديوار چيز ديگري خواهد شد . ديگر روشنايي يكنواختي نخواهد داشت . در عوض ، نوارهاي تاريك و روشني با نقش هاي منظم پديد مي آمد . اين ها را نقش هاي تداخلي مي گويند . نور تداخل مي كرد و نقش هاي تداخلي پديد مي آورد . پس از مرگ نيوتون نقش هاي تداخلي را كشف كردند . دانستن اين مطلب جالب بوده است كه نيوتون و ذرات او با اين نقش ها چه مي توانستند بكنند . بازهم مي بايست اين ها را به وسيله ي نظريه ي ذره اي ساده توضيح دهند ، اما اين نقش ها براي دفاع از نظريه ي موجي برهاني قطعي بودند .
اگر دو موج نوري هميشه كاملاً همگام به موضع مشخصي برسند ارتعاشاتشان يكديگر را تقويت مي كنند و روشنايي بيشتري نسبت به روشنايي هريك از آن ها به تنهايي پديدمي آورد . اما اگر اين دو موج هميشه كاملاً ناهمگام برسند ، ارتعاشاتشان با يكديگر در تقابل قرار مي گيرد ، به طوري كه نتيجه ي كلي يا آشفتگي صفر است ، يا تاريكي .
هرتز هم عمدتاً به كمك نشان دادن تداخل توانست اعتبار نظريه ي امواج الكترومغناطيسي ماكسول را تثيت كند . هم چنين ، به ياري تداخل نشان داده شد كه پرتو هاي X هم موج اند ، زيرا هرگاه پرتوهاي X از بلوري عبور مي كنند ، برروي صفحه ي عكاسي نقشي مشخص پديد مي آورند كه مي توان آن را نتيجه ي تداخل امواجي دانست كه اتم هايي با آرايش منظم در بلور ، آن ها را آشفته كرده اند . اين نقش ها ، نقش هاي پراش پرتو X ناميده مي شوند .
نورفرابنفش ، الكترون هاي موجود در همه ي سطح فلز را يكباره بيرون نمي اندازد . اين نور آن ها را از اين جا و آن جا ، بدون هيچ گونه نظم يا يكنواختي ، به بيرون پرتاب نمي كند ، بلكه ميانگيني از آن ها را به بيرون مي اندازد . آيا موج مي تواند عامل بيرون راندن هاي اتفاقي الكترون باشد ؟ در اين جا امكاني براي پديد آمدن نقش هاي تداخلي وجود ندارد ، زيرا يكنواختي هرچيزي به صورت ميانگيني است . مطمئناً فقط ذراتي مي توانند موجب چنين آثار اتفاقي و پراكنده اي باشند كه از روي بي دقتي و سهل انگاري نشانه گيري شده باشند . مطمئناً نور از ذرات تشكيل شده است . اگر هنوز هم در اين مورد ترديدي وجود داشته باشد ، مي توانيم مدرك نور خيلي ضعيف را ارائه دهيم . فرض كنيد نور موجي است . آن گاه مي توانيم شدت آن را چندان ضعيف كنيم كه ، مثلاً لازم باشد انرژي فرودي اين نور به مدت نيم ساعت بر سطحي فرود آيد تا تك الكتروني را از آن سطح بركند : هفته ها مي گذرد و اتفاقي نمي افتد ، و سپس ناگهان ، هنگامي كه انرژي كافي ذخيره شد ، الكترون ها شبيه خط دفاعي توپخانه در ساعت صفر ، شروع مي كنند به پريدن به چپ و راست . اما چنين چيزي عملاً اتفاق نمي افتد . الكترون ها بمباران پراكنده و نامنظمي را ادامه مي دهند . حتي پيش از آن كه امواج فرصتي بيابند تا اثري به وجود آورند ، هرچند هم كه جملگي در يك نقطه متمركز باشند ، غالباً اين بمباران آغاز مي شود . در مورد ذرات اين نكته درست همان چيزي است كه بايد انتظار داشته باشيم ، چرا كه نور را به مثابه بمباران فوتون ها مي دانيم . وقتي نور ضعيف باشد اين بمباران متناوب و پاسخ الكتروني نيز به همان نسبت پراكنده است .
در سال 1911 ، ويلسون ، فيزيكدان انگليسي ، پس از يازده سال تحقيق ، وسيله ي بسيار پر ارزشي اختراع كرد . اين وسيله اتاقك ابري بود كه مسير الكترون هاي منفرد با ساير ذرات بارداري را كه از داخلش مي گذشتند ، رؤيت پذير مي كرد . كامپتون ، فيزيكدان امريكايي ، در سال 1923 آزمايشي بنيادي انجام داد كه مي توان آن را فقط بر مبناي اين نظريه تفسير كرد كه نور الكترون ها را وامي جهاند ؛ مانند گوي بيلياردي كه گوي ديگري را وا مي جهاند . البته ، اين آزمايش در مقابله با نظريه ي موجي نقش تعيين كننده اي داشت ، و دو سال بعد ، همان وقتي كامپتون و سايمون به اتفاق هم كار مي كردند ، او موفق شد در يك اتاقك ابر اثر برخورد هاي منفرد را در اين بازي گوي هاي كيهاني مشاهده كند . رد الكترون ها مستقيماً قابل مشاهده بود ، و مي شد مسير فوتون ها را از مواضع زوج الكترون هايي كه متوالياً به هم برخورد مي كردند ، استنباط كرد . اين آزمايش هاي گوناگون ترديدي باقي نگذاشت كه فوتون ها دقيقاً مطابق قوانين رياضي برخورد ، الكترون ها را وامي جهانند . تصور اين نكته كه در يك بازي بيليارد ، چوب بيليارد موج باشد كار مشكلي است ، و قوانين برخورد را هم در چنين شرايطي نمي توان به كاربرد . پس ، مطمئناً نور بايد از ذره تشكيل شده باشد . و به خاطر همين توضيح روشن حقيقت بود كه كامپتون و ويلسون با همديگر در جايزه ي نوبل سال 1928 شريك شدند .
اكنون فيزيك با موقعيتي كاملاً جديد روبه رو بود . موجودي واحد ، نور ، هم موج بود و هم ذره . اصلاً چگونه مي توانستند اندازه و شكل ويژه ي آن را به تصور آورند؟ براي اين كه تداخل را پديد آورد منتشر مي شود ، اما براي واجهانيدن الكترون ها بايد دقيقاً جاي گزيده باشد . اين يك معضل بنيادي بود و وقفه در نبرد فوتون – موج به اين معني بود كه اين موضوع بايد به صورت معما باقي بماند تا روح فيزيك دان واقعي را آزار دهد . اين كه نور در عين حال دو چيز متناقض باشد ، غير قابل تحمل بود .
اتم نيلز بور
در سال 1911 ، كه نبرد ميان موج و ذره وقفه اي آكنده از نوميدي را مي گذرانيد ، جواني به نام نيلز بور، براي ادامه ي تحصيلات خود از سرزمين مادريش دانمارك ، درياهاي خاكستري را پيمود و به انگلستان رفت . او پس از يك سال تحصيل در كمبريج رهسپار منچستر شد ، كه در آن جا مردي به نام رادرفورد استاد فيزيك بود . بور ، از لحاظ علمي ، عملاً ناشناس بود . تكنيك رياضي او را با معيارهاي حرفه اي نمي شد برجسته خواند . اما تخيلي قوي و جسارتي شگرف داشت ، و قدرت ادراكش چنان بود كه فيزيك را بدون توسل به روابط پيچيده ي رياضي درك مي كرد . كوانتوم هم تنها براي چنين كساني راز هاي گنجينه ي خود را فاش مي كند . امروزه خبرگان تابناك دنياي علم به اين انسان فروتن و آرام به عنوان رهبر روحاني پژوهش هاي اتمي حرمت مي گذارند . او در سال 1922 ، يك سال پس از اينشتين جايزه ي نوبل را دريافت كرد . دو سال پيش از آن ، بور به رياست مؤسسه ي نوبنياد فيزيك نظري در كپنهاك برگزيده شده بود ؛ و اين همان مؤسسه اي بود كه با الهام از رهبري او مي رفت تا به مركز جهاني پژوهش هاي اتمي تبديل شود ، و دانشمندان برجسته ي تمام ملل را به خود جذب كند ، و بر آن دوره ي شتابان دانش فيزيك تأثيري فوق العاده برجاي گذارد .
بور چنين شخصي بود . اما رادرفورد ، مردي كه بور زير نظر او مطالعات خود را انجام داد ، چه كسي بود ؟ به سال 1895 ، خيلي كم تر از پنجاه سال پيش از ظهور بمب اتمي برمي گرديم ، همان هنگام كه رادرفورد هنوز جواني بيش نبود ، و رونتگن فيزيكدان آلماني با كشف پرتو هاي X جهان را تكان داد . او درحالي كه مسير تخليه ي الكتريكي از طريق گازها را آزمايش مي كرد ، تقريباً به تصادف و با مشاهده ي نوري كه آن ها را در ماده اي فلوئورسان در نزديكي دستگاهش توليد كردند ، به وجود همين پرتوها پي برد . هنگامي كه جوايز نوبل را در سال 1901 بنياد نهادند ، جايزه ي فيزيك آن را به رونتگن دادند . اما ، در سال 1912 بود كه معلوم شد پرتوهاي X او خصيصه ي نقش پراش امواج را هم ظاهر مي كنند .
كشف پرتوهاي X پژوهش را در بسياري حوزه ها برانگيخت ، و يك سال بعد به كشف تصادفي بكرل ، دانشمند فرانسوي ، كه حتي از اهميت بيشتري برخوردار بود ، منجر شد .
از آن جا كه اين پرتوهاي نويافته سبب فلوئورساني مي شدند ، بعيد نبود كه به وسيله ي ماده اي منتشرشوند كه پس از نورگيري ، در تاريكي بدرخشد . بكرل ، با اطمينان كافي دريافت كه برخي نمك هاي اورانيوم پس از نورگيري ، چنين پرتوهايي بيرون مي دهند . سپس به ياري بختي مساعد كشف كرد كه اين مواد ، پرتوهاي نام برده را حتي بدون نورگيري بيرون مي دهند . اين موضوع به راستي شگفت انگيز بود . سپس پي بردند كه اورانيوم ، سنگين ترين عنصر شناخته شده ، به طورخود به خودي پرتوهاي نافذي بيرون مي فرستد كه آن ها را به نحوي بدون كمك عاملي خارجي توليد مي كند . بكرل سهواً به چنين چيزي برخورده بود كه ما اينك آن را پرتوزايي مي ناميم . معلوم شد كه پرتوي است بسيار اختلال زا ؛ زيرا ، انرژي ، هرچند به مقداري ناچيز ، بدون هيچ گونه وسيله ي تقويتي قابل رؤيتي وجود داشت . اين انرژي چگونه ايجاد مي شد ؟ از كجا مي آمد ؟
تابش هاي بكرل در نزد دانشمند بي همتايي چون ماري كوري فريبندگي مقاومت ناپذيري داشت . اين زن ، در آن موقع دانشمند جوان و نسبتاً ناشناسي بود ، اما بعد تنها كسي شد كه در تاريخ دوبار جايزه ي نوبل دريافت داشته است ؛ او يك بار در سال 1903 مشتركاً با بكرل و همسرش پيير كوري ، و بار ديگر در سال 1911 به تنهايي اين جايزه را در رشته ي شيمي ربود . او و همسرش كه در پاريس كار مي كردند، در سال 1898 توانستند وجود دو عنصر جديد را اعلام كنند ، كه قدرت پرتوزايي شان از اورانيوم بيشتر بود . آن ها يكي از اين عناصر را به افتخار لهستان ( پولند ) ، زادگاه ماري ، باتوجه به روحيه ي ميهن پرستي گرم او ، پولونيوم نام نهادند . اين ماجرا چهارسال پربار در پي داشت ؛ او در اين چهارسال با تلاش و كوششي فرساينده ، توانست خرده هاي ريز نمك گران بهاي راديوم را كه از تنها پس مانده ي كاني اورانيوم حاصل شده بود ، با دست تقطير كند .
پرتوزايي راديوم تقريباً باورنكردني بود . اين ماده فعال ترين ماده ي شناخته شده تا آن زمان ، و در حدود دو ميليون بار قوي تر از اورانيوم بود . اين عنصر جريان بي پايان انرژي را به اشكال گوناگون از درون خود به بيرون مي فرستاد : اين عنصر به طور خودبه خودي در تاريكي مي تابيد و خود را اندكي گرم تر از پيرامونش نگه مي داشت ؛ بعداً پي بردند كه گاز پرتوزاي سنگيني كه پيش تر ناشناخته بود به بيرون مي فرستد ؛ اين عنصر به وسيله اي براي مبارزه با سرطان تبديل شد ؛ بالاتر از همه ، مي رفت تا گواه بارزي باشد بر تلاطم و جوشندگي هراسناكي كه پيوسته در دل ماده جريان دارد . مقدار انرژي كه از يك ذره ي راديوم خارج مي شود بي نهايت اندك است . اما چنين موجودات ريزي اغلب از رويدادهاي بزرگي در علم خبر مي دهند . بكرل و كوري ها عصر اتم را آغاز كرده بودند .
ما از بابت فهمي كه از معني باطني پرتوزايي دستگيرمان شده ، خود را مديون ارنست رادرفورد و همكار آزمايشگاهي اش ف . سادي انگليسي مي دانيم . آنان كه در كانادا كار مي كردند ، يك رشته آزمايش هاي ماهرانه انجام دادند كه حقايق بنيادي فرآيند پرتوزا را اثبات كرد ، و به اين ترتيب در همان سال 1903 به يك نظريه ي فروپاشي و استحاله ي پرتو هاي اتم ها ، كه مباني آن امروز نيز پذيرفته است ، انجاميد . رادرفورد مي رفت تا به كشفيات ديگري دست يازد كه در ارتباط با اتم اهميت عظيمي داشتند و او را به عنوان بزرگ ترين فيزيك دان تجربي عصر تثبيت مي كردند . او در سال 1908 جايزه ي نوبل شيمي را دريافت داشت و سادي در سال 1921 به همين جايزه دست يافت .
به نظر رادرفورد و سادي ، اتم هاي پرتوزا منفجر و از هم جدا مي شوند سه نوع پرتو به بيرون فرستاده مي شود ، كه به سه حرف الفباي يوناني ، پرتوهاي ، پرتوهاي و پرتوهاي نام گرفتند . معلوم شد كه پرتوهاي ، پرتوهاي ايكسي اند كه از پرتوهاي يافته ي رونتگن بسيار نافذترند ، و پي بردند كه پرتوهاي جرياني از الكترون ها هستند . همين طور پرتوهاي ، كه پاره هاي راديوم بودند ، اما راديوم نبودند بلكه اتم هاي ماده ي متفاوتي ، يعني گاز خنثي و بسيار سبك هليم ، بودند كه چون بار الكتريكي حمل مي كردند حالت يونيده نام گرفتند . وقتي يك اتم راديوم منفجر مي شود ، نه تنها مواد مختلفي چون ذرات و گسيل مي كند ، بلكه پاره ي برجاي مانده ، خود ماده ي ديگري است . اين ماده ي برجاي مانده به نوبه ي خود پرتوزا بود و منفجر شد ، و پس مانده هاي آن ، در زنجيره ي استحاله هاي طولاني ، به سرب ، سنگين ترين ماده ، ختم شد . چشم انداز نويني ، در برابر علم گشوده شده بود .
در آن زمان پيرامون ساختار اتم كم تر چيز مي دانستند . تامسون ، كاشف الكترون ، كه جايزه ي نوبل 1906 را دريافت داشت ، از باب آزمايش هم كه شده پيشنهاد كرد كه اتم از يك گوي الكتريسيته ي مثبت تشكيل شده كه الكترون ها مانند كشمش هايي در داخل يك كيك كشمشي ، آن را دربرگرفته اند . ذرات سريع پرواز حاصل از مواد پرتوزا ابزار باشكوهي بودند كه با آن ها اتم ها را به زير تازيانه مي گرفتند و رازهايش را با زور بيرون مي كشيدند . همان طور كه لنارد ، برنده ي جايزه ي نوبل 1905 ، قبلاً خاطرنشان كرده بود ، ذرات چندان سهل از درون اتم ها عبور مي كنند كه بايد فضاي وسيعي در درون آن ها وجود داشته باشد . اما معماي واقعي را ذرات به وجود آوردند ، زير دستخوش تصادم هاي شديدي با اتم ها بودند كه احتمالاً مدل اتمي تامسون از توضيح آن ها عاجز بود .
رادرفورد ، كه در سال 1911 جايزه ي نوبل را برده و در منچستر ساكن بود ، مدل اتمي جديدي پيشنهادكرد تا اين برخوردهاي استثنايي و عجيب را تبيين كند . او نشان داد كه بارالكتريكي مثبت اتم بايد در هسته اي سنگين ، كوچك و به قطري كم تر از يك ميليون ميليونم اينچ متمركز باشد . اين هسته هاي سنگين و فشرده چنان به زور در اتم جاي داده مي شدند كه ذرات شديد را مي تابانند . الكترون هاي اتم ، به جاي اين كه مطابق مدل تامسون در درون آن باشند ، مي بايست به گرد هسته و در فواصلي نسبتاً عظيم از آن پرواز كنند . تركيب بار الكتريكي منفي آن ها مي بايست دقيقاً با بار مثبت هسته به موازنه درآيد ، و ساختاركلي آن با منظومه اي خرد تشابهي نمايان داشته باشد .
رادرفورد آماتور و شتابزده نبود . تا وقتي كه صحت و سقم شواهد تجربيش از لحاظ رياضي ثابت نشد ، مدل اتميش را ارائه نكرد . و به راستي مدل اتمي او شالوده ي تمامي ايده هاي ساختار اتمي نوين مارا تشكيل مي دهد . با اين حال ، نقايص نظري چنان ريشه داري توانايي اتم رادرفورد را در توضيح نتايج آزمايش سست مي كردند كه فقط كارآمدترين نحوه ي رفتار مي توانست در رفع آن ها اميدي بيافريند . در اين جا دو مورد را بازگو مي كنيم .
برابر نظريه ي ماكسول ،اتم رادرفورد مي بايست با نوري متشكل از همه ي بسامد ها تابش كند . برعكس ، از ديرباز معلوم شده بود كه بسامد هاي نوري كه با آن ها اتم ها شناخته مي شوند از نوعي بسيار خاص هستند . هر عنصر ، گروه ويژه اي از بسامد هاي نور را به عنوان نشاني براي شناسايي دراختيار دارد .
در آستانه ي آخرين دهه ي قرن نوزدهم بود كه توجه يك آموزگار گم نام سوئيسي ، به نام يوهان ياكوب بالمر ، به بررسي اين بسامدها جلب شد . در آن روز ها بيشتر از چهار بسامد هيدروژن را نمي شناختند . ساير بسامد ها ، در بطن فروسرخ و فرابنفش ، در آن سوي طيف مرئي قرار داشتند . بالمر از اين ماده ي بي بركت فرمولي فوق العاده استخراج كرد كه هرچند براي آن چهاربسامد شناخته شده توضيح باشكوهي در برداشت ، پذيرفتن آسان و تمام و كمال آن بسيار شگفت انگيز بود ؛ موفقيت آن هم بايد صرفاً تصادفي بوده باشد .
بالمر در زمينه ي طول موج ها كار كرد .كيفيت قاعده اي كه او در ارتباط با كشف و نوين سازي و اصلاح كرد ، چنين است :
عدد مرموز 000و000و000و870و287و3 را در نظر بگيريد و با آن نوعي نردبان نامنظم بسازيد ، به طوري كه فواصل پلكان آن ، در ضمن پايين آمدن تقسيم اين عدد را بر 1 ، 4 ، 9 ، 16 ، 25 ، 36 ، ... به دست دهند . آن چه به ويژه فرمول بالمر را جالب مي كند ين نكته است كه اعداد اخير ، اعدادمرموزي نيستند . اين ها مجذور هاي اعداد طبيعي 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ، و... هستند .
اين ها با بسامدهاي هيدروژن چه ارتباطي دارند ؟ بيان ساده اش اين است : بسامد هاي واقع در نخستين رديف افقي ، فواصل نخستين پله تا دومي ، سومي ، چهارمي و ... هستند . بالمر اصول اين قاعده ي برجسته را تنها از چهار بسامد از بسامد هاي هيدروژن استخراج كرد و حتي تا آن جا پيش رفت كه بگويد رديف هاي ديگري نيز وجود خواهد داشت . سال ها گذشت ، بسامد هاي هرچه بيش تري نه تنها براي اتم هيدروژن كه براي عناصر ديگر اندازه گيري شد . همان گونه كه در سال 1908 ، ريتس ، دانشمند سوئيسي نشان داد، براي تمامي اين بسامد ها يك نردبان اصلي وجود دارد . كاري كه بالمر از ناقص ترين داده ها انجام داده بود ، شاهكار شگفت انگيز پيداكردن كليدي بود كه به طيف هاي تمامي عناصر مي خورد ، و اين كار چنان از زمان خويش پيش بود كه تا وقتي او زنده بود كسي قدرش را نشناخت .
دقت تطابق مفهوم بالمر با حقايق ، سادگي ژرف آن ، و دخالت سيستماتيك اعدادطبيعي ، هيچ ترديدي در اين مورد باقي نمي گذارد كه اين مفهوم جزئيات به ايت مهمي از كالبد شناسي نهفته ي طبيعت را به نمايش مي گذارد و استخوان بندي راستين عالم را آشكار مي كند . اين مفهوم ، در مقايسه با اتم رادرفورد ، با پاي فشردنش در برون فرستادن نور متشكل از تمامي بسامد ها ، صرفاً مانند يك آميب جلوه كرد .
اين ها كه گفتيم عبارت بود از ايراد اول بر اتم رادرفورد . توضيح ايراد دوم زياد طولاني نيست . اين نكته ساده است كه اتم رادرفورد بنابر نظريه ي ماكسول ساختاري ناممكن است . بين سياراتي كه به روال نيوتوني به دور خورشيد مي گردند ، و الكتروني كه به موجب قوانين الكتروديناميكي به دور هسته در پرواز است تفاوتي ذاتي وجود دارد . سيارات به آرامي و در مدارهاي بيضي وار خورشيد را دور مي زنند . اما الكترون هايي كه هسته را دور مي زنند سرعت بسيار زيادي دارند . آن ها نه تنها انرژي خود ر به صورت امواجي نوري متشكل از همه ي بسامد ها به بيرون مي فرستند ، بلكه در عين حال حركتي مارپيچي نيز به سوي هسته دارند اگر اتم واقعاً چيزي به سبك مدل رادرفورد بود ، چگونه مي توانست براي مدتي طولاني دوام آورد ؟
در همان زمان كه اتم رادرفورد براي بقاي خود در برابر تهاجم فاجعه آساي ايرادهايي كه برشمرديم به نبرد مشغول بود ، بور جوان پيشنهادهايي به ميدان كارزار نهاد ، او تنها يك كلمه را وارد كرد !!! به جاي قانون ماكسولي كه طبق آن گفت كه « الكترون هايي كه به دور يك هسته مي گردند انرژي خود را تابش مي كنند و به سوي هسته خركت مارپيچي انجا م مي دهند . » گفت : « الكترون هايي كه به دور هسته مي گردند انرژي خود را تابش نمي كنند و به سوي هسته حركت مارپيچي انجام نمي دهند . »
او با اين روش روشن ، صريحاً دوقاعده براي برطرف كردن عيب بزرگ ديگر اتم رادرفورد ، جانشين قوانين ماكسول كرد .
سياراتي كه به دور خورشيد مي گردند مي توانند در دوايري با هر شعاعي حركت كنند . هرچه اين دايره كوچك تر باشد سرعت آن سياره بيش تر است . براي اين كه سياره اي را واداريم بر محيط هر دايره ي خاصي به مركز خورشيد حركت كند ، ضروري است كه دقيقاً با سرعتي مناسب با اندازه ي شهاع آن دايره به حركت درآيد ؛ طبيعت خود هركارديگري را كه لازم باشد انجام مي دهد . بنابر نظريه ي نيوتوني گرانش ، تمام اين نوع دواير مدارهاي سياره اي احتمال هستند . بور در پي پيشگامي رادرفورد ، اين تصور عمومي را تحويل گرفت ؛ اما تصحيحاتي مهم در اين امر به عمل آورد كه ازادي گردش الكترون ها به دور هسته را بسيار محدود مي كرد . تنها مدارهاي معيني براي آن ها مجاز بودند ، و بقيه خارج از مرز اعلام شدند . ديگر هيچ الكتروني نمي توانست در هرجايي كه ميل داشت گردش كند .
بور اين مسير را با دقتي رياضي تعيين كرد ، و از فرمولي بهره گرفت كه درواقع سال پيش از آن توسط نيكلسون در آكسفورد كشف شده بود .
اتم بور به زانو در مي آيد
رخنه ي دليرانه ي بور به درون جهان ناشناخته ، راستاي مستقيم پيشرفت بود و با دقت زيادي با بهترين سنت هاي انقلابي سازگاري داشت . بور ، در مبارزه با ماكسول ، كاري جز پيروي از پلانك و اينشتين ، كه پيشاهنگ او بودند ، انجام نداد ؛ در راه مشخص كردن مدارهاي مجاز ، از مدار اصلي فعاليت هاي پلانك پا فراتر نگذاشت ؛ در معرفي فوتون ها ، بيش از نماياندن ايده ي اينشتين با پيروزي هاي بيشتر ، كار ديگري انجام نداد . نظريه ي او امكاني بود براي گردهم آمدن نيروهاي پراكنده ي انقلاب . وي با فراست نبوغ آسايي مي دانست آن ها را چگونه در كنار يكديگر جمع كند . تمامي اجزاي تشكيل دهنده ي اين نظريه تقريباً دارايي مشترك صدها فيزيكدان بود . اما تنها يك بور وجود داشت .
ظهور نظريه ي بور برق آسا بود . به كمك آزمايش هاي جي . فرانك و هرتز در آلمان ، كه جايزه ي نوبل 1925 را برايشان به ارمغان آورد ، تقريباً معلوم شد كه نردبان انرژي كه با مدارها نشان داده شده بود ، موجوديتي فيزيكي دارد .
كاميابي ها در پي هم و با چنان سرعتي به دست مي آمدند ، و نتايج نظري جديد چنان سهل كشف مي شدند و با آزمايش چنان سازگاري داشتند ، كه تعارض كهن موج و ذره در غوغاي هيجان عمومي تقريباً به فراموشي سپرده شد .
اما ديرزماني نگذشت كه جنگي از نوع ديگر ، جنگ توپ و خون و انسان ، جهان را در كام خود فروبلعيد . موزلي يكي از تابناك ترين دانشمندان جوان انگلستان ، براي رفتن به سربازي نام نويسي كرد و هيچ اهل خردي پيدا نشد كه وي را از اين كار بازدارد . او در حملات بي نتيجه ي نزديك گاليپولي در داردانل كشته شد ، و رادرفورد خود آگهي درگذشت او را نوشت .
در آن فضاي تيره هنوز هم شعله ي پژوهشي انتزاعي مي درخشيد . جنگ نتوانست اين آتش را خاموش كند . ارشميدس كه غرق در انديشه ي مطلق از دنيا رفت ، قطعاً از ضربت كشنده ي دشمن كه به هلاكتش افكنده بود بي خبر مانده بود . در خلال جنگ هاي ناپلئوني كه اروپارا به ويراني كشاند ، مهندسان فرانسوي نخستين اندازه گيري دقيق ابعاد زمين را به عمل آوردند . در ضمن جنگ جهاني اول ، اينشتين نظريه ي گرانش خود يعني نظريه ي نسبيت عام را تكميل كرد .. و در حالي كه خاطره ي جنگ در ياد ها هنوز زنده بود ، يك هيئت انگليسي به سرپرستي ادينگتون با وسايل حساس و دقيقي براي رصد كسوف به جزاير دوردست اعزام شد و نظريه ي اينشتين را آزمود و پيش گويي او را در مورد خم شدن پرتوهاي نور تأييدكرد ، و به دنياي خسته و فرسوده از جنگ اعلام كرد كه دشمن زمان جنگ انگليس ، ميزبان بزرگ ترين دانشمند زمانه ي ما بوده است .
با وجود جنگ و پيامدهايش ، نظريه ي بور حتي با آن كه پيچيدگي اش افزون تر شد ، به رشد خود ادامه داد . مدارهاي دايره اي آن جاي خود را به مدارهاي بيضي وار ، و مدارهاي ديگر با شكل هاي كاملاً پيچيده سپرد . از ميان دستاوردهاي تابناك بسيار آن چندتايي را به كوتاهي ذكر مي كنيم .
در سال 1913 ، كه موزلي جوان مشغول آزمايش با پرتوهاي X بود ، به نظم هايي بنيادي دست يافت كه بر افزايش مقادير مساوي بار هسته در عناصر گوناگون دلالت مي كرد . اين يافته ، تأييدي قوي بر مدل اتمي رادرفورد بود ، و جزئيات اصلي كار موزلي بعداً نشان داد كه تأييديه اي كارآمد براي نظريه ي بور نيز بوده است .
هرچند فرمول اصلي پلانك با آزمايش بسيار سازگار بود ، ذرات نوسان كننده ي او كم و بيش نمايشي طرح واره از ماده بودند . در روزهاي گذشته ، هيچ چيز بهتري در دست نبود ، اما اينك موفقيت اتم بور تأييد مي كرد كه بايد اساس نظري فرمول پلانك نوين سازي شود . تا با مفاهيم جديد ماده انطباق يابد . معلوم شد كه اين مسأله به طور نامنتظره اي مشكل است ، و اينشتين در سال 1917 ، در ميان چيز هاي قابل توجه ديگر ، به كمك برهان هايي عام ، نه تنها نشان داد كه فرمول تابش پلانك را مي توان برحسب اتم هاي حاوي نردبان هاي انرژي استنتاج كرد ، بلكه اين نكته را نيز خاطر نشان كرد كه رابطه اي كه بور بين جهش هاي انرژي و نور پيشنهادكرده است پيامدي ضروري بوده ، و بنابراين به يك ضربه هم پلانك و هم بور را تأييد مي كند .
هم چنين بايد از اثر زيمان نام برد كه پ.زيمان فيزيكدان هلندي ، به خاطر آن در جايزه ي نوبل سال 1902 با هم ميهن برجسته ي خود لورنتس سهيم شده بود . زيمان مدتي پيش تر در سال 1896 ، تحت تأثير نظريه هاي لورنتس ، نور ناشي از اتم هاي تابشي را كه در ميدان يك آهنرباي قوي قرارگرفته بودند ، مورد بررسي قرار داد و خطوط طيفي را كه اندكي پهن شده بودند ، يافت . او و ديگران ، بعداً به كمك تجهيزات كارآمدتري دريافتند كه خطوط طيفي جداگانه به گروه هاي سه تايي ، و حتي بيش تر ، شكافته مي شوند . مي توان اين سه تايي هاي زيمان را در نظريه ي ماكسولي لورنتس توجيه كرد ، اما شكافتگي پيچيده تر قابل توجيه نيست . هرچند نظريه ي بور نيز بر اثر شكافتگي پيچيده تر با تنگناهايي روبه رو مي شود ، اما اين مشكلات نيز هم تراز با چالش سه تايي ها بود . در اتم هيدروژن معمولي مدارهاي مجاز با عدد كوانتومي منحصربه فرد n مشخص مي شوند . معلوم شد كه تعداد مدارهاي مجاز تحت تأثير يك آهنربا زياد مي شود . به طوري كه براي هر مدار دو عدد كوانتومي لازم است . اين امر به توضيح كاملي از سه تايي هاي زيمان ( با يك استثنا ) منجر شد .
جي . اشتارك ، فيزيكدان آلماني ، برنده ي جايزه ي نوبل سال 1919 ، آن جا كه زيمان از آهنربا استفاده كرد ، الكتريسيته به كار برد و در سال 1913 دريافت كه اين امر به پيچيدگي حتي بيشتر خطوط طيفي منجر مي شود . آن چه در شرايط معمولي عبارت از خطوط واحدي بود ، اكنون به سي و دو خط و حتي بيش تر تبديل مي شد . در اين مورد نظريه ي كلاسيك ناتوان بود . اين نظريه نمي توانست توضيحي از اين اثر ارائه دهد – حقيقتي كه پيروزي نظريه ي بور را از تأثير بيش تري برخوردار كرد . چرا كه در سال 1916 ، در گرماگرم جنگ ، شوارتسشيلد و اپشتين مستقل از يكديگر نشان دادند كه نظريه ي بور به كمك عدد كوانتومي ثالثي ، به طور موفقيت آميز جزئياتي از نوع شكافتگي پيچيده را توجيه مي كند ، اما در اين جا نيز بايد يك استثنا را به حساب آوريم .
وقتي اتم هاي معمولي از لحاظ طيف نمايي با ابزاري بسيار قوي تر مورد مطالعه قرار گيرند ، خطوطي طيفي به دست مي آيند – دسته هاي مجزايي از خطوط ريز چنان نقش پيچيده اي تشكيل مي دهند كه ابزارهاي پيشين فقط قادر بودند اين دسته خط را به صورت يك كل واحد ظاهر كند . هيچ تأثير خارجي مانند آهنربا سبب به وجود آمدن اين ساختار ، ساختار ريز ، نمي شود . پس آن اثر داخلي كه با تكيه بر آن نظريه ي بور مي خواهد اين ساختار را توضيح دهد ، كجاست ؟
و اين زومرفلد نظريه پرداز آلماني بود كه در سال 1915 در اوج درگيري هاي جنگ ، جوابي براي اين مسئله يافت . كليد اين مشكل نسبيت بود . بنا بر نظريه ي نسبيت ، هرچيزي كه سريع تر حركت كند سنگين تر مي شود . زومرفلد با به كاربستن اين اصل در اتم بور ، فرمولي يافت كه با آزمايش توافق فوق العاده اي داشت اما تا آن موقع فقط در مورد جزئيات ناچيزي به كار مي رفته است . اتفاقاً تاريخچه ي آن هم بسيار قابل توجه است . اما به اين بند نيز بايد استثنايي بيفزاييم .
استثنا در تمامي اين موارد مشابه است نظريه ي اصلي بور بسيار بارور بود ، نه تنها خطوط طيفي قابل مشاهده را به دست داد ، بلكه خطوط بسيار بيش تري را نيز ارائه داد كه قابل مشاهده نبودند . اين اسراف يكي از نقايص بنياني اين نظريه بود ، كه نه تنها در اين نمونه هاي مشخص ، بلكه تقريباً در هر موردي كه به كار مي رفت جلوه گر مي شد ؛ زيرا آشكار بود كه نظريه اي ناكامل است . قادر بود از بسامد هاي خطوط طيف سخن گويد ، اما درباره ي روشنايي نسبي آن ها گفتني زياد نداشت . با اين وجود مطمئناً برخي از اين خطوط روشن و برخي ديگر تاريك بودند . بور به روشي براي محاسبه ي روشنايي آن ها نياز داشت ، و خوشبختانه اين روش مي توانست مسئله ي ديگر او را از طريق نسبت دادن روشنايي صفر به خطوط ناخواسته ، حل كند . او در سال 1918 چاره اي موقتي يافته بود كه در كارهاي عمده ي سال 1913 خودش ريشه داشت . بور به روشي نمونه وار قاعده ي ديگري را بر نظريه ي خود افزود . اين يكي آميزه اي مغشوش از مفاهيم مكانيك كوانتومي و كلاسيكي بود كه او آن را اصل هم خواني ناميد . اين اصل ، مانند بيشتر ايده هاي بور ، به طور شگفت انگيزي نيات او را برآورده مي كرد . اصل نام برده از جمله ، تقريباً تمام خطوط طيفي ناخواسته را با موفقيت تمام حذف كرد ، و بعداً يك اصل راهنماي ضروري ، يعني پژوهش هاي آزمايشي تر را اثبات كرد .
نظريه ي بور با چارچوبي بسيار ابتدايي ، و به كاربستن ابزار رياضي نسبتاً ساده ، فراسوي اهداف فوري خود قرارگرفت و نتايجي برتر از تمامي انتظارات معقول به بار آورد . اما اين نظريه نه تنها با بي اعتنايي به جدال قدرتمند ذره – موج نگريسته بود ، بلكه با توجه نكردن به آن ، خوارش شمرده بود .ظهور ناسازگاري ها ميان نظريه و آزمايش ، كه ديگر نمي توانست با پناه بردن به اصل هم خواني پوشيده بماند ، آغاز به خودنمايي كرد . اين كه سرنوشت نظريه اي با اين توانايي در ادامه ي دستاوردهاي برجسته ، آن بود كه فقط دوازده سال پس از تولدش كنار گذاشته شود ، چيزي نيست مگر نشانه اي از سرعت حيرت آور پيشرفت علمي در آن دوران خاص .
نظريه ي بور در واپسين لحظات زندگي ، تجديد حيات مختصري از خود نشان داد . مي دانيم كه سيارات ضمن گردش به دور خورشيد حول محور خود نيز مي چرخند . در سال 1925 ، گودشميت و اولنبك اظهار داشتند كه الكترون ها هم چنان كه به دور هسته مي گردند به دور محور خود نيز مي گردند ، اين ايده به توضيح ناهنجاري هاي طيف هاي پيچيده كمك مي كرد و حتي ، به طور شگفت انگيزي ، ساختار ريز خطوط هيدروژن را بدون كاربرد نسبيت توجيه مي كرد . اين مورد اخير كاملاً سرگيجه آور بود . آيا اين ساختار ريز ، همان طور كه زومرفلد يك دهه پيش تر نشان داده بود ، به علت آثار نسبيتي بود يا آثار ناشي از اسپين الكترون ؟
اسپين به خاطر همان خصلت جانشيني موقتش مستلزم توجه بود ، با وجود اين بسيار ديرتر از آن به ميدان آمد كه اثري قابل توجه بر فرصت هاي نظريه ي بوري كه پديدش آورده بود ، برجاي گذارد . اما ، از تأثير آن بر كل فيزيك نمي شد چشم پوشيد . بعداً پي بردند كه عملاً بايد گونه اي اسپين به هرنوع ذره ي بنيادي در عالم نسبت داد . يكي از خدمات بي شمار آن را در اين جا بازگو مي كنيم .
دانشمندان قبلاً ناگزير بودند كه براي هر الكترون سه عدد كوانتومي منظور كنند . اسپين عدد چهارمي ارائه كرد . اين عدد از توجهي واقعي برخوردار بود ، چرا كه ولفگانگ پائولي ، نظريه پرداز اطريشي ، به اعتبار استنتاج هاي خودش از ديرباز در جست و جوي عدد كوانتومي چهارمي بود . پائولي از همان اوايل بيست سالگي اش شرحي تكنيكي بر نظريه ي نسبيت نوشت كه اينشتين هم با خشنودي تمام پذيرفت كه حاوي جزئيات بيشتري است از آن كه خودش درباره ي اين نظريه مي دانست . پائولي بعداً كار مهمي در فيزيك كوانتوم انجام داد ، و در خلال پژوهش هايش به واقعيتي شگرف برخورد كه هرچند آشكارا معني بسيار ژرفي داشت ، نمي توانست با نظريه ي بور جور باشد مگر آن كه به عنوان قاعده ي خاص ديگري مطرح شود . اين قاعده ، كه او به خاطرش جايزه ي نوبل سال 1945 را دريافت داشت ، بيان ساده اي دارد . بنابر اين قاعده ، در هيچ دو الكتروني مجموعه ي چهار عدد كوانتومي آن ها نمي تواند يكسان باشد . اين اصل به عنوان اصل طرد پائولي معروف است . هنگامي كه پائولي اين قاعده را كشف كرد ، الكترون هنوز هم سه عد كوانتومي داشت ، و او ناچارشده بود به آن عدد چهارم دلخواهي نسبت دهد . كشف اسپين نشان داد كه تمامي اين چهار عد مي توانند به طور طبيعي به الكترون تعلق داشته باشند . به اعتبار اصل طرد ، دست كم شالوده ي فيزيكي جدول تناوبي عناصر جدول تناوبي عناصر كه مندليف ، شيميدان روس ، آن را كشف كرده بود و توسط موزلي اصلاح شده بود ، امكان پذير شد . تا آن موقع در نظريه ي فيزيكي ، هرگاه چيزي به طريقي در قيد و بند مي افتاد ، هميشه مي توانستند از نيرو به عنوان يك توضيح براي آن كمك بگيرند . اصل پائولي در مورد نيرو هاي معمولي به مشكلي برنمي خورد . تأثيرات خارجي در اين جا از نوعي كاملاً جديد بود .
اصل پائولي در تمامي پژوهش هاي نظري جديد اصلي اساسي است . اين اصل بر ذرات ديگري جز الكترون هم اعمال مي شود ، و معلوم شده است كه با آثار عظيم درون هسته پيوند خورده است . اعتبار آن برهاني اساسي است براي موضوعات علم شيمي . از هنگامي كه اين اصل يافته شده است ، هيچ ذره اي در طبيعت يافت نشده است كه از آن مستثني باشد ، در علم هم هيچ بياني بدون ياري اين اصل كامل نيست .
اگرچه اسپين الكترون و اصل پائولي در دوران فرمان روايي بور كشف شدند ، اما به دوره ي بعد از او تعلق دارند . اين دو نمي توانستند از هجوم جريان مخالف جلوگيري كنند ، و حالا ديگر نظريه ي بور يك خاطره است .
اصل كم ترين زمان
همان طور كه بور هم نيك مي دانست ، تمامي كاميابي هاي اوليه ي نظريه ي او در عين حال نمي توانست نارسايي هاي آن را هم بپوشاند .
ماكس بورن فيزيك دان آلماني ، اين سرگشتگي را به روشني بيان كرده است . در اواخر سال 1924 او كتابي را پيرامون نظريه ي اتمي به پايان برد . او هر مطلبي را كه بايد گفته مي شد در آن كتاب گنجانيد ، اما آن را جلد نخست ناميد . در حالي كه اصولاً چيزي نبود تا او در جلد دومي بگنجاند ، چرا كتابش راجلد اول ناميد ؟ زيرا اطمينان داشت كه نظريه ي بور محكوم به نابودي است و بايد دستگاه كاملاً نويني پديد ايد تا جاي آن را بگيرد ، و او در نظر داشت جلد دوم را به اين دستگاه ( نظريه اي كه هنوز زاده نشده بود ) اختصاص دهد . شرط ار آن بود كه به هنگام زاده شدن اين نظريه او خودش هنوز زنده باشد !
اين نظريه به دنيا آمد ، و او هم جلد دوم كتاب خود را نوشت – بسيار زودتر از آن كه انتظار داشت . هدايت اين انقلاب را پرنس لويي دوبروي عهده دار بود كه عضو يكي از خانواده هاي اشرافي قديمي فرانسه بود . ريشه ي كار او در ايده هايي بود كه پيش تر در سال 1922 ، منتشر كرده بود ، و نسخه ي دست نوشته ي اصلي آن در دسامبر سال 1923 ، تقريباً يك سال پيش از انتشار جلد اول كتاب بورن ، به نشريات علمي سپرده شده بود . اما كار دوبروي تا آن وقت ناشناخته بود .
دلبستگي اوليه ي او بيش تر به نور بود تا ماده اما اين ايده كه جرمي ذاتي براي فوتون قائل شود در انديشه هاي او ريشه داشت . اكنون ديگر مفهوم فوتوني كه چنين جرمي داشته باشد پذيرفتني نيست ، اما همين ايده دوبروي را به يك كشف مهم راهنمايي كرد ، چرا كه اين فوتون با ذره ي مادي خويشاوند است و تكامل رياضي آن بر همتاهاي مهمي اشاره مي كند .
با توجه به انبوه اسناد و مدارك استدلال دوبروي بر اين پايه بود كه ادعاي عدم وجود فوتون در نور ابلهانه است . اين را هم نمي شد انكاركرد كه نور حاوي موج نيز هست . اين دو بايد هم زيستي كنند . افزون بر اين نور و ماده در نسبيت به هم مي پيوندند ، زيرا در آن جا نور و ماده به صورت اشكال گوناگون انرژي ظاهر مي شوند . دوبروي ماهيت هاي ويژه ي نسبيت را مي شناخت . اينشتين فرمول هاي رياضي دقيقي براي درهم پيچيدن طومار هم زماني ارائه داده بود . و آن چه اتفاق افتاد اين بود كه دوباره به امواج روي آورند .
اگر انرژي حقيقتاً سريع تر از نورانتقال يابد ، نسبيت اعتراض مي كند . با همه ي اين ها انرژي منتقل مي شد ، چرا كه خود ذره حركت مي كرد . جرم نيز همان انرژي است . اين ذره چگونه با امواج فازي پيوند برقرار مي كند ؟ دوبروي اين پيوند را كشف كرد .
تعداد زيادي از قطارهاي موج دوبروي را ، با سرعت هاي اندكي متفاوت ، در نظر مي گيريم و فرض مي كنيم كه آن ها در يك راستا به حركت درآيند ؛ تمامي آن ها در يك مكان ويژه همراه هم به پيش خواهند رفت . در ابتدا يك موج بسيار عظيم در آن مكان به وجود مي آيد . اما در آن جا باقي نخواهد ماند . دوبروي ثابت كرد كه اين موج با سرعتي خيلي زياد ، اما خيلي آهسته تر از نور ، به پيش مي رود . در واقع اين موج مركب بسيار بلند با سرعت ذره حركت خواهد كرد . پيوند عجيب بين ذره اي كه كند حركت مي كند و موجي كه با سرعتي باورنكردني حركت مي كند ، همين بود .
دوبروي پيوند هاي نزديك ديگري را ميان ذرات و امواج همراه آن ها پيدا كرد . مثلا فرما رياضي دان بزرگ فرانسوي مدت ها پيش قوانين نورشناخت هندسي را به قاعده ي فرگير واحدي تبديل كرده بود كه بنابر آن ، يك پرتو نور مسير مسير مورد نياز خود را در كم ترين زمان مي پيمايد . هم چنين ، قوانين ديناميك به قاعده ي يگانه اي تبديل شده بودند كه بر مبناي آن هر دستگاه مادي چنان حركت مي كند كه از كم ترين مقدار يك موجود تكنيكي به نام كنش ، استفاده كند . در يك سو اصل كم ترين زمان وجود دارد و در سوي ديگر اصل كم ترين كنش .
اتفاقاً ثابت پلانك واحدي از اين كنش به حساب مي آيد . در واقع اين واحد كوانتوم كنش ( يا عمل ) ناميده مي شود . دوبروي پي برد كه اين كميت هم چون پلي بين موج و ذره عمل كرده است . اصل كم ترين زمان براي امواج مادي از لحاظ رياضي همان چيزي است كه به عنوان اصل كم ترين كنش براي ذراتش عمل مي كند .
مطمئناً دوبروي نسبت به امواجش نظر كاملاً خاصي داشت ، و بر مبناي آن پيش گويي مي كرد كه طول موج آن ها بايد برابر hتقسيم برجرم و سرعت ذره باشد . اما آيا پذيرفتني بود كه امواج ماده ، اگر هم وجود داشته باشند ، بتوانند اين همه سال از دست آزمايشگر بگريزند ؟ اين نيز نگرشي جالب بود ، اما فقط همين . دليل تجربي كجا بود ؟
اگر در تمام دنيا يك مرد وجود داشت كه كشف دوبروي را پيش بيني كرده باشد ، اينشتين بود . چرا كه ايده ي دوبروي مكمل ايده ي خود او درباره ي فوتون بود و از نظريه ي نسبيت خودش سرچشمه گرفته بود . اينشتين نشان داده بود كه نور كه از مدت ها پيش فكر مي كردند موجي است ، شبيه ذره است . دوبروي با اظهار اين كه ماده ، كه از ديرباز تصور مي شد حاوي ذرات است ، بايد با امواج توأم و بنابراين در ماهيت آن ها سهيم باشد ، استدلال را به يك دور كامل كشيده بود . پس همين بود كه وقتي اينشتين به كار دوبروي برخورد كرد ، فوراً اهميت احتمالي آن را دريافت و وزنه ي اعتبار بي چون و چراي خود را در پشت آن قرار داد .
س.ج.داويسون ، در آزمايشگاه هاي تلفن بل ، در نيويورك ، از سال 1921 يك رشته آزمايش كرده بود . در اين آزمايش ها بايد كاري با جهش جرياني از الكترون ها در يك توده ي فلز انجام مي دادند . در آوريل سال 1925 حادثه اي پيش آمد . داويسون كه اكنون گِرمِر ياريش مي كرد ، الكترون هايي از يك توده ي نيكل در خلاً كامل جهانيد . در حالي كه توه ي نيكل بسيار داغ بود يك كپسول هواي مايع در آزمايشگاه منفجر شد ، وسايل را درهم شكست ، خلاً را از بين برد ، به هموا امكان داد كه هجوم آورده و سطح نيكلي را كه به دقت آماده شده بود ، خراب كند . تنها روش عملي پاكيزه كردن اين سطح ، گرما دادن دراز مدت بود . از بخت خوش داويسون و گرمر ، بدون پروا از اين مانع ، خرابي ها را بازسازي كردند . سطح نيكل را به حالت نخست برگردانيدند ، و به آزمايش خود ادامه دادند .
اين عمليات حرارتي ، بدون آن كه داويسون و گرمر آگاه باشند ، تغيير گسترده اي در نيكل آن ها پديد آورده بود ؛ آن را به صورت بلورهاي بزرگي گداخت كه قبلاً شامل هزاران بلور كوچك بودند . بنابر اين هرچند ساختار دروني تغيير چشمگيري كرده بود ، نشانه اي مبني بر آشكارسازي اين دگرگوني ها در سطح وجود نداشت .
داويسون و گرمر بي خبر از حوادثي كه سرنوشت نيكخواهانه بر سر راهشان قرار داده بود به آزمايش ناتمام خود ادامه دادند . با خيرت نظاره گر نخستين نتايج خود شدند . نقش هاي نمونه اي در برابر آن ها قرار داشت كه علم از ديرباز آن ها را به عنوان نقش هاي پراش پرتو X مي شناخت . اما پرتو X ي دركار نبود فقط الكترون ها بودند . اين آزمايش ها سال ها پيش تر از آن كه دوبروي نتايج خود را اعلام كند آغاز شده بود ، اما اگر حادثه ي انفجار كپسول نبود هرگز چنان كشف تكان دهنده اي صورت نمي گرفت . اما داويسون ديگر نامزد دريافت جايزه ي نوبل 1937 شده و پيش از او دوبروي جايزه ي نوبل سال 1929 را ربوده بود . اين نقش هاي پراش پرتو هاي X نخستين تأييد مستقيم تجربي بر نظريه ي دوبروي بودند . اين آزمايش ها نشان دادند كه رفتار الكترون ها شبيه امواج است و حتي چيز هايي بيش تر از اين نيز نشان دادند . نشان دادند كه رفتار الكترون ها درست مانند امواجي است كه دوبروي پيش گويي كرده است ، زيرا اندازه گيري ها ثابت كرد كه اين طول موج ها درست همان هايي اند كه دوبروي از پيش خبر داده بود . پس اين تأييد بر شالوده اي صحيح و كمي استوار بود . اثبات و استدلال تجربي گريزناپذيري در كار بود . اكنون دريافته بودند كه الكترون ، آن ذره اي كه مزيتش نمايي بودن يا بنيادي بودنش بود ، رفتاري مانند موج دارد .
منبع : http://hosc.blogfa.com/post-101.aspx