انستیتوی تحقیقاتی نیلز بور که مرکز اصلی پژوهش در فیزیک نظری بود در سال 1920 ساخته شد. شهرت بور به دلیل داشتن افکار رادیکال و خلاف عرف کپنهاگ را مرکز جذب فیزیکدان های جوان و جویای نام کرد. آنها مصمم بودند که نامشان را جاوید کنند و بخشی از علم ابتکاری جدید بور باشند که ” مکانیک کوانتومی ” نام گرفته بود.
در سال 1924 در واکنش به توضیح قدیمی اینشتین و دوبروی برای اتم، رادیکال ها تئوری جدیدی ارائه کردند. براساس پرش های کوانتومی بور این یکی از جاه طلبانه ترین و جنجالی ترین ایده شان بود اولین بار توسط ولفگانگ پاولی مطرح شد یکی از ستارگان برخواسته از مکتب بور.
پاولی ایده ی ” پرش های کوانتومی ” عجیب بور را گرفت و آن را به یکی از مفاهیم علم تبدیل کرد و تازه قضیه به همین سادگی ختم نشد، ایده پاولی با عنوان غیر جذاب ” اصل طرد ” منتشر شد.
سوالی که ایده پاولی می خواست به آن جواب دهد این بود همه اتم ها از همان اجزای ساده تشکیل شده اند پس چرا با ظاهرهای مختلفی خود را به ما نشان می دهند؟ با این تنوع غنی از رنگ ها پیوندها و ویژگی های شیمیایی؟
مثلا طلا و جیوه دو عنصر بسیار متفاوت هستند، طلا بی خطر است و جیوه بسیار سمی است در حالی که فقط در یک الکترون تفاوت دارند طلا 79 و جیوه 80 الکترون دارد پس چگونه یک الکترون کوچک این همه تفاوت ایجاد می کند؟
پاولی قانون کوانتومی دیگری را از ناکجا آباد آورد، اتم به شکل ساختمان چند طبقه ی بور را به خاطر آورید هسته طبقه همکف است و الکترون ها به ترتیب طبقات بالاتر را اشغال می کنند. پاولی گفت قانون کوانتومی دیگری به زبان عامیانه می گوید که هر طبقه فقط تعداد مشخصی از الکترون ها را در خود نگه می دارد پس اگر بخواهیم الکترون دیگری را به اتم بیافزاییم باید دنبال یک جای خالی در طبقه ی بالا بگردد و اگر این طبقه پر بود طبقه دیگری برای الکترون در بالا ساخته می شود به این ترتیب یک الکترون می تواند شکل اتم را از اساس تغییر دهد و این به نوبه خود بر رفتار اتم تاثیر می گذارد و بر چگونگی پیوند خوردنشان با سایر اتم ها. بنابراین اصل پائولی در واقع پایه ایست که تمامی شیمی و زیست شناسی بر آن استوار است.
اصل طرد پاولی انقلاب عظیمی در مکانیک کوانتومی بور بود بنظر می رسید که برای اولین بار درکی واقعی داریم از تنوع باور نکردنی از جهان اطرافمان و احتمالا خود حیات. موفقیت پاولی مشکل بزرگی برای دفاع اینشتین از فیزیک قدیم پدید آورد درست مانند پرش کوانتومی از دل کتاب عجیب قوانین فیزیک اتمی بیرون آمده بود. پاولی شرح نداد که اصلش چگونه کار کرد.
اینشتین و سنت گراها از آن ابراز نفرت کردند برای آنها این اصل همچون مزخرفات گستاخانه و غیرعلمی بود. تا اینجا، منازعه بر سر فیزیک اتمی جدید مودبانه بوده است، اکنون دو طرف بزرگترین سلاح های خود را رو می کنند دو تن از بزرگترین نام های فیزیک که دو شخصیت کاملا متضاد بودند. برای علم انقلابی جدید یک فرد اهل رقابت آلمانی به نام ورنر هایزنبرگ برای محافظه کارها یک اتریشی متمدن به نام اروین شرودینگر که فردی فیلسوف شاعر و رمانتیک بود وی کتاب هایی در مورد یونان باستان فلسفه و مذهب نوشته است. در سال 1925 شرودینگر 38 ساله در هتلی در آروسا در کوه های آلپ سوئیس معمای اتم را حل کرد. او ایده مرموز دوبروی که امواج هادی الکترون ها را به دور اتم می گردانند را فرض کرد و یک قدم فراتر گذاشت او استدلال کرد که الکترون در واقع موجی از انرژی است که انقدر سریع ارتعاش می کند که مانند ابری به دور اتم به نظر می رسد، یک موج ابر مانند از انرژی خالص. سرانجام او به معادله ی جدید قدرتمندی رسید که کاملا این موج را توضیح می دهد و بنابراین اتم را تمام کمال برحسب اصول فیزیک کلاسیک توضیح داد معادله ای که او بدان دست یافت را اکنون ” معادله موج شرودینگر ” می نامیم.
که به طرز باورنکردنی قدرتمند است آنچه که در مورد آن بی نظیر است این است که کمیت جدیدی به نام ” تابع موج ” معرفی می کند که شرودینگر ادعا کرد رفتار دنیای زیر اتمی را کاملا شرح می دهد.
معادله شرودینگر و تصویری که او از اتم رسم کرد بار دیگر به دانشمندان اجازه داد که اتم را برحسب اصول ساده تصور کنند. تصور اینکه ایده ی شرودینگر چه آسودگی خاطری برای جامعه سنت گرای فیزیک به ارمغان آورد سخت است. اگرچه تصویر او از اتم عجیب بود حداقل یک تصویر بود و دانشمندان عاشق تصویرهای متعددند، تصاویر به آنها اجازه می دهد که از شهودشان استفاده کنند. ولی هنوز یک مشکل بسیار آزاردهنده وجود داشت مشکلی که به نظر رادیکال های شرودینگر نتوانسته بود با آن کنار بیاید تئوری جدید او پاسخی برای پرش های کوانتومی لحظه ای و عجیب بور نداشت.
تابستان همان سال یکی از شاگردان نیلز بور ورنر هایزنبرگ به جزیره ای در سواحل شمالی آلمان سفر کرد او بسیار اهل رقابت بود و ایده های شرودینگر را توهین به خودش می پنداشت او شدیدا احساس میکرد که شگفت انگیزی پرش های کوانتومی لحظه ای در واقع کلید فهم اتم است او بر این باور بود که اتم بسیار بی نظیر و غیرعادی است و نباید آن را با قیاسی ساده موج یا مدار در نظر گرفت یا حتی یک ساختمان چند طبقه. وی معتقد بود که باید هر تصویری از اتم را دور انداخت.
ورنر هایزنبرگ به راستی که یکی از نوابغ قرن بیستم بود جوان ورزشکار، کوهنور حرفه ای و یک پیانیست ماهر و یک دانشجوی استثنایی بود. در 20 سالگی دکترایش را گرفت و از دانشگاه های مطرح اروپایی پیشنهاد دریافت کرد در تابستان 1925 وی از تب بسیار بدی رنج می برد درنهایت به جزیره دور افتاده آلمان، هلگولند رفت و در آنجا به اتم فکر می کرد. هاینبرگ با عمق وجود احساس می کرد که همه انسان ها سعی دارند اتم را تصور کنند اما تطبیق اتم با عکس های آشنا همیشه به شکست منجر می شد اتمی که او در نظر داشت بسیار خاص بود آنقدر عجیب که حتی به این سادگی نمی توان آن را شرح داد پس تصمیم گرفت هر تصویری از اتم را در ذهنش دور بیاندازد و تنها با ریاضیات محض آن را شرح دهد اما وقتی فکر می کرد متوجه شده بود که اتم نه تنها از متصور شدن می گریزد حتی با ریاضیات کلاسیک هم قابل بیان نیست.
قسمت پنجم را اینجا بخوانید: تاریخچه فیزیک، قسمت پنجم
منبع برگرفته از مستند Atom.1 The Clash of the Titans
نویسنده: سارا شیخپور
