تاریخچه علم فیزیک، قسمت پنجم

نیلز بور بر این باور بود که مدل منظومه‌ی شمسی رادرفورد از اتم را بگیریم و آن را با چیزی جایگزین کنیم که تصور یا درکش تقریبا محال است، بنابراین ایده‌های ملموسی مثل فضای خالی و ذرات چرخان در مدارها کنار رفتند آنها با چیزی تعویض شدند که یکی از غیرقابل درک‌ترین و دست نخورده‌ترین مفاهیم علم است ” پرش کوانتومی“. حتی امروزه هم برای بیشتر فیزیکدان‌ها چندین سال طول میکشد که با پرش‌های کوانتومی کنار بیایند، بور خود بر این بارو بود که اگر فکر میکنید آن را درک کرده‌اید، پس اصلا در موردش فکر نکرده‌اید. پرش کوانتومی که یکی از پیچیده‌ترین مفاهیم علم بوده و مفهومی که تمام کائنات را پایه ریزی میکند.

بور اتم را نه به شکل یک منظومه‌ی شمسی بلکه همچون یک ساختمان چند طبقه در نظر گرفت؛ طبقه همکف جایی‌ست که هسته زندگی میکند با الکترون‌هایی که ساکن طبقات بالا هستند قانون مرموزی میگوید که الکترون‌ها فقط روی طبقات می توانند قرار بگیرند و هرگز بین طبقات نمی‌توانند باشند و قانون مرموز دیگری میگوید گاهی می‌توانند بصورت آنی از طبقه‌ای به طبقه دیگر پرش کنند و این همان چیزی‌ست که پرش کوانتومی نامیدیم. بور مطمئنا نمیدانست که این قوانین چیستند اما این فرض به او اجازه‌ی پیش بینی اولیه را می داد. وقتی الکترون از طبقه‌ای بالاتر به طبقه‌ای پایین‌تر پرش میکند از خود نور ساطع می کند و مهمتر اینکه رنگ نور بستگی به بزرگی یا کوچی پرش کوانتومی دارد؛ بنابراین الکترونی که از طبقه‌ی سوم به دوم می‌پرد ممکن است نور قرمز بدهد و الکترونی که از طبقه دهم به طبقه‌ی دوم می‌پرد نور آبی.

بور برای آزمودن تئوری جدیدش با آن یک پیش بینی کرد، آیا تئوری میتواند اثر مرموز طیف هیدروژن را توضیح دهد؟ پس از ماه‌ها محاسبات طاقت فرسا سرانجام به این نتیجه رسید و پیش ‌بینی‌اش بطور باورنکردنی صحیح بود. برای اولین بار به نظر میرسید که طیف توضیح داده شده است و در سال 1913 این خبر بزرگی بود. اما ایده جدید بور بر پایه‌ی فرضی استوار بود که جداَ جنجال برانگیز بود چرا باید الکترون‌ها و اتم طوری رفتار کنند که کنند که انگار در یک ساختمان چند طبقه هستند؟ و چرا باید از یک طبقه به طبقه‌ی دیگر پرش کوانتومی انجام دهند؟ در هیچ جای دیگری از علم نمونه‌ی مشابهی وجود نداشت، وقتی فیزیکدانی گفت که پرش‌ها مزخرف‌اند بور جواب داد بله، کاملا درست می‌گویید! امّا این اثبات نمی‌کند که پرش‌ها رُخ نمی‌دهند فقط به این خاطر که نمی‌توانید آنها را تصور کنید، اما قادر نبودن به تصور کردن چیزها به نظر می‌رسید که با کل هدف علم منافات دارد. بویژه دانشمندان قدیمی فکر می‌کردند که علم درباره‌ی درک جهان است نه درباره‌ی وضع کردن قوانین دلخواهی که با داده‌ها سازگار باشند، نبرد بین دو نسل از دانشمندان ناگزیر بود.

اتم جدید و مرموز بور و پرش‌های کوانتومی دیوانه‌وارش ضربه‌ای بر پیکر علم کلاسیک بود و مکتب قدیمی خشمگینانه واکنش نشان داد. رهبر سنت‌گراها غول دنیای فیزیک، آلبرت اینشتین بود او از ایده‌های بور نفرت داشت و میخواست به جنگشان برود و با هر چیزی که جهان منظم و عقل سلیم را از این یورش دیوانگی نجات دهد. بور جا نزد و اوایل دهه‌ی 1920 خطوط میدان جنگ برای یکی از بزرگترین نبردهای تاریخ علم کشیده شد. اینشتین بیشتر اوایل دهه‌ی 1920 را صرف استدلال کردن علیه نیلز بور کرد با اندکی موفقیت شهرتش یه او قدرت می‌داد. بنابراین وقتی میگفت که از ایده‌هایی نظر پرش کوانتومی متنفر است که بنظر از ناکجا آباد آمده است، مردم گوش می‌دادند. سپس در 1925 نامه‌ای به دستش رسید که بنظر می‌رسید هدیه‌ای از بهشت فیزیک باشد، سرانجام ایده‌ای آمده بود که دنیای اتمی را توضیح می‌داد با اصول آزموده و قابل اعتماد علم سنتی. اینشتین به وجد آمده بود به دوستانش گفت: ” سرانجام پرده از کار دنیا کنار رفت” نامه همراه با پایان نامه‌ی دکترای یک جوان فرانسوی آمده بود و پشت این قضیه داستان جالبی بود.

دانشمند فرانسوی لوئی دوبروی

در طول جنگ جهانی اول، یک دانشجوی جوان فرانسوی وقتش را در بالای برج ایفل بعنوان اپراتور رادیو صرف می‌کرد و نام او شاهزاده لوئی دوبروی بود وی از طبقه‌ی اشرافی فرانسه می آمد اما خودش را وقف فیزیک کرده بود. او بسیار ثروتمند بود آزمایشگاه خود را در شانزالیزه ساخته بود. بعد از جنگ دوبروی جذب اسرار و جدل‌های پیرامون اتم شده بود و تجربه‌ی دوران جنگ بعنوان اپراتور رادیو ایده فریبنده‌ای به او داد که شاید امواج رادیویی بتوانند اتم را توضیح دهند، اگرچه نامرئی‌اند اما بسیار شبیه امواج آب رفتار می‌کنند مثل تب هایی که در یک دریاچه گسترش می یابند، امواج رادیویی هم از معادلات ریاضی پیروی می‌کردند که قابل اعتماد و درک بودند و دهه ها قبل بکار گرفته شده بودند. پس برای پایان نامه دکترایش دوبروی نوعی امواج رادیویی را در نظر گرفت که الکترون را دور اتم می‌گرداند و نامش را ” اتم هادی ” گذاشت. این امواج همچنین الکترون ار در مدارش ثابت نگه می دارد و مانع از فروپاشی اتم می‌شود، خبری از پرش های کوانتومی لحظه ای عجیب نبود فقط امواج آشنای قابل درک با عقل سلیم.

خیال سنت گراها آسوده شد آنها فریاد زدند اتم کاملا مرتبط با امواج است و ما می دانیم امواج چیستند؛ اینشتین و سنت گراها احساس کردند که پیروزی را به چنگ آورده‌اند. آنها فکر می‌کردند که بور و علم اتمی جدیدش را با آن پرش های کوانتومی دیوانه‌وارش، به درَک فرستاده‌اند امّا نیلز بور بیدی نبود که از این بادها بلرزد حتی با وجود اینکه طیف هیدورژن را توضیح داده بود با تئوری انقلابی جدیدش در مقابل شهرت جهانی اینشتین چیزی نداشت اما در وطنش دانمارک تئوریش کافی بود تا او را ستاره بسازد.

نیلز بور در سال 1916 بعنوان یک انسان موفق به کپنهاگ بازگشت یک قهرمان جهانی شهرت تازه بدست آمده‌اش بدین معنی بود که بسیار آسان برای تحقیق پول بدست می‌آورد، در واقع با سرمایه گذاری شرکت آبجوسازی کارلزبرگ بود که انستیتوی تحقیقاتی‌اش را ساخت و اینگونه بود که اسرار اتم کشف شد. این انستیتو مرکز اصلی پژوهش در زمینه‌ی فیزیک نظری شد که تا به امروز هم مانده است.