تاریخ جهان

مقالاتی در باره تاریخ!

تاريخ جهان History of World أَفَلَمْ يَسِيرُوا فِي الأرْضِ فَيَنْظُرُوا كَيْفَ كَانَ عَاقِبَةُ الَّذِينَ مِنْ قَبْلِهِمْ كَانُوا أَكْثَرَ مِنْهُمْ وَأَشَدَّ قُوَّةً وَآثَارًا فِي الأرْضِ فَمَا أَغْنَى عَنْهُمْ مَا كَانُوا يَكْسِبُونَ قرآن كريم؛ سوره 40.غافر؛آيه 82 تاريخ معلّم انسان‌ها است. امام خميني رحمة‌اللّه عليه
ذره، موج، کوانتوم
ساعت ٥:٥۳ ‎ب.ظ روز جمعه ٢٦ اسفند ۱۳٩٠  کلمات کليدي: تاریخ علم

مقاله حاضر، تاریخچه ای از نظریه کوانتومی است که در قالب رقابت دو نظریه ذره ای و موجی نوشته شده و دربرگیرنده برخی از پیامدهای مهم نظریه کوانتومی است.


منبع:دانشمند شماره556

 


"کریستیان هویگنس"، فیزیکدان هلندی، درسال 1678 نظریه ساده ای برای نورمطرح کرد.دراین نظریه فرض می شد که نورموج است(اما چیزی در مورد سرشت این موج مطرح نمی شد)در مقابل "نیوتن"معتقد بود نور جریانی از ذرات است.این فرضیه انتشار نور در ابزارهای نوری را توضیح می داد.توضیحش هم عموما قانع کننده بود.
هرچند هواداران نظریه موجی در زمان نیوتن کم نبودند، اما در رویارویی با نبوغ نیوتن شانس اندکی برای پیروزی داشتند.با مرگ نیوتن، نظریه ذره ای هم وارد دوران تاریک خود شد.کشفیات جدیدی در حوزه نور اتفاق افتاد که نظریه ذره ای قادر به بیان توضیحی درباره آنها نبود.حدود صدسال پس از مرگ نیوتن نظریه موجی به دست دانشمند فرانسوی به نام "فرنل"تکامل یافت طوری که قادر بود برای تمام پدیده ها شناخته شده تا آن زمان در مورد نور توضیح قانع کننده ای ارائه دهد.
فرنل نظریه موجی را به چنان درجه ای از دقت رساند که به جای آن که رقیبی شکست خورده باشد،به فرمانروایی قدرتمند تبدیل شد.
پس از آن،"فوکو"دانشمند فرانسوی،سرعت نور را درآب اندازه گیری کرد.نوردرخلابا سرعتی حدود 300 هزارکیلومتر درثانیه حرکت می کند.بنا به نظریه ذره ای نیوتن این سرعت در آب حتی باید بیشتر از این می بود.اما بنا به نظریه موجی این سرعت در آب باید کمتر باشد.آزمایش فوکو نشان داد سرعت نور در آب درست همان مقدار کمتر از سرعت نور در هواست که نظریه موجی پیش بینی می کرد.نظریه ذره ای رو به افول می رفت و نظریه موجی روز به روز قدرتمندتر می شد.
"مایکل فارادی"، پژوهشگر انگلیسی که از ریاضیات سررشته چندانی نداشت، برای توضیح دادن نتایج آزمایش هایش راه حلی ساده و غیر ریاضی ابداع کرد که اساس آن چیزی بود که خودش آن را "خطوط نیرو"می نامید.اگرچه در ابتدا مورد تمسخر ریاضی دانان حرفه ای قرار گرفت، اما هر کشف جدید، مهر تاییدی دوباره بر ایده های فارادی بود.سال ها بعد "ماکسول"که به عمق نظرات فارادی به پی برده بود،ایده های او را به زبان ریاضی بیان کرد.با این کار،ایده فارادی به صورت درون مایه یک تفکر ریاضی جلوه گر شد.ماکسول مفهوم میدان الکترومغناطیسی را به جای خطوط نیروی فارادی وارد فیزیک کرد.
ماکسول تنها به این اکتفا نکرد و ادامه کار را گرفت ولی خیلی زود به تناقض رسید ظاهرا همه چیز با نظریه او نمی خواند.دانشمندان به جست و جوی راه چاره پرداختند.در این بین، خود ماکسول معادلات جدیدی را که ظاهرا به صورت جزئی با معادلات قبلی اختلاف داشتند، پیشنهاد کرد.این معاملات جدید نه تنها نتقاضات را از میان برمی داشت، بلکه مفهوم جدیدی نیز ارائه می داد.بنابر معادلات جدید، باید چیزهایی مانند امواج الکترومغناطیسی وجود داشته باشد که با سرعت نور حرکت می کند و تمام خواص فیزیکی عمده نور را داشته باشد.اما برای پذیرفتن این نظریه باید امواج الکترومغناطیسی ماکسول به نحوی در آزمایشگاه تولید می شد.با گذشت زمان و عدم موفقیت دانشمندان در تولید چنین امواجی، تردیدها آغاز شد تا این که با گذشت بیش از هفتاد سال از مرگ ماکسول، "هاینریش هرتز"امواجی را که ماکسول پیش بینی کرده بود آشکارسازی کرد.
از آنجا که تمام جزئیات نظریه فرنل بدون استثنا در دل معادلات ماکسول جای می گرفت، و همچنین کشف امواج پیش بینی شده ماکسول توسط هرتز، دیگر هیچ شکی وجود نداشت که نور از جنس موج الکترومغناطیسی است.یعنی امواج رادیویی که توسط گیرنده های رادیویی آشکار می شوند ا زهمان نوع امواجی هستند که توسط چشم آشکار می شوند.تنها تفاوت شان بسامدشان است؛ یعنی تعداد ارتعاشاتشان در ثانیه.
مدت ها پیش از ماکسول، نظریه ذره ای در برابر درخشش نظریه ی موجی رنگ باخته بود تا این که فاجعه روی داد:فاجعه فرابنفش.
ماجرا زمانی آغاز شد که دو دانشمند به نام های "ریلی" و "جینز"با استفاده از نظریه های الکترومغناطیس و ترمودینامیک، فرمولی برای تابندگی جسم سیاه که بهترین جذب کننده و گسیل کننده امواج الکترومغناطیسی است، ارائه کردند که به "فرمول ریلی -جینز"شهرت یافت.
تابندگی محاسبه شده از طریق فرمول ریلی-جینز، در طول موج های بلند به داده های حاصل از آزمایش نزدیک بود؛ اما در طول موج های کوتاه به صورت اسفباری ناموفق بود.این شکست فرمول ریلی-جینز در طول موج های کوتاه را فاجعه فرابنفش نامیدند.
نظریه های ترمودینامیک و الکترومغناطیس که فرمول ریلی-جینز بر آنها استوار بود، در بسیاری از شرایط دیگر آزموده شده بود و سازگاری خوبی با نتایج تجربی داشت؛ ولی از قرار معلوم برای تابش جسم سیاه کارایی نداشت و نوع جدیدی از فیزیک لازم بود.این فیزیک جدید که تابش جسم سایه را تفسیر می کرد، در سال 1900 توسط فیزیکدان آلمانی "ماکس پلانک"پیشنهاد شد.فرض جسورانه پلانک این بود که یک اتم نوسان کننده فقط می تواند انرژی را در بسته های گسسته به نام "کوانتوم"جذب و تابش کنند.به این ترتیب،مفهوم کوانتوم و ثابت بنیادی h توسط پلانک وارد فیزیک شد.
فرض پلانک و اهمیت ثابت h در آن و پیامدهای آن، بلافاصله برای دانشمندان آن زمان روشن نبود.در واقع، چنان که بعد خود پلانک هم گفت، این فرض برای خود او هم چندان روشن نبود و بارها در مورد کار خودش شک کرد!
دوران شک وتردید ادامه داشت تا این که"اینشتین"در سال 1905 با استفاده از نظریه پلانک،فرض جالب توجهی درباره سرشت نورکرد.فرض اینشتین از این قرار بود که نور در مواردی چنان رفتار می کند که گویی انرژی آن در بسته هایی جایگزیده متمرکز شده است.بعدا این بسته ها را "فوتون"نامیدند.اینشتین توانست با این فرض خود، برای پدیده فوتو الکتریک (پرتاب شدن الکترون از سطح یک فلز به خارج به علت تابش نوری با بسامد معین به سطح آن)که قبلا توسط هرتز کشف شده بود و فیزیک کلاسیک از توضیح آن بازمانده بود،توضیح قانع کننده ای ارائه دهد.
این کار اینشتین که صحت نظریه کوانتومی پلانک را تایید می کرد، با مخالفت خود پلانک روبه رو شد.پلانک معتقد بود انرژی الکترومغناطیسی به محض تابیده شدن، همانند امواج آب که درون آب گسترش می یابند، در فضا گسترش می یابد؛ اما اینشتین در عوض پیشنهاد کرد که انرژی تابشی در بسته های متمرکزی (همان فوتون ها)کوانتیده است.
در سال 1916"رابرت میلیکان"معادله فوتو الکتریک اینشتین را در معرض آزمون تجربی دقیق قرار داد.هرچند میلیکان نشان داد که این معادله کاملا با تجربه سازگار است، اما خود او متقاعد نشد که فوتون ها اینشتین واقعی اند.او نوشت فرضیه اینشتین "اگر نگوییم بی پروا، جسورانه است."بعدها نوشته که مفهوم فوتون اینشتین "در حال حاضر کاملا غیرقابل قبول به نظر می رسد."ولی بالاخره اینشتین در سال 1921 جایزه نوبل را به خاطر توضیح اثر فوتو الکتریک دریافت کرد.
با پیشرفت نظریه کوانتومی و راه یافتن مفهوم فوتون به فیزیک، نظریه ذره ای که دیگر به فراموشی سپرده شده بود، می رفت تا جان تازه ای بگیرد و آزمایش های "آرتور کامپتون"نقش مهمی در تجدید حیات نظریه ذره ای نور ایفا کرد.
"ویلسون"، فیزیکدان انگلیسی، در سال 1911 موفق به اختراع وسیله پر ارزشی شد.این وسیله "اتاقک ابر"بود که مسیر الکترون یا سایر ذرات بارداری را که از داخلش می گذشتند، قابل رویت می کرد.در سال 1923 کامپتون با استفاده از این اتاقک ابر موفق شد تا اثر برخورد فوتون با الکترون را مشاهده کند.فوتون طوری به الکترون برخورد می کرد و آن را پس می زد که گوی یک ذره به الکترون برخورد کرده است.
برای روشن تر شدن مطلب، فرض کنید در یک بازی بیلیارد توپ ها همان الکترون ها باشند و چوب بیلیارد موج باشد.آزمایش های گوناگون تردیدی باقی نگذاشت که فوتون ها همانند یک ذره رفتار می کنند و دقیقا از قوانین حاکم برخورد ذرات تبعیت می کنند.کارهای کامپتون در این زمینه که به تایید نظریه فوتون اینشتین انجامید، جایزه نوبل فیزیک سال 1927 را برای او به ارمغان آورد.
اما بالاخره نور چیست؟ موج است یا ذره؟ کدام دیدگاه بر دیگری برتری دارد؟
اگر بخواهیم به طور تجربی معین کنیم که مثلا نور موج است یا ذره، متوجه می شویم آزمایشی که نور را به آشکار ساختن خصلت موجی اش وامی دارد، خصلت ذره ای را قویا پنهان می کند.اگر آزمایش را طوری تغییر دهیم که خصلت ذره ای را نمایان کند، خصلت موجی آن پنهان می شود و هرگز نمی توانیم خاصیت موجی و ذره ای را درشرایط یکسان رو در رو قراردهیم.تابش و ماده همچون دو روی یک سکه اند.می توان ترتیبی داد تا سکه هر یک ازدو روی را که می خواهیم به نمایش بگذارد،ولی نمایش هم زمان هر دو روی سکه ممکن نیست.
نه تنها امواج الکترومغناطیسی، بلکه ذرات مادی هم چنین طبیعت دوگانه ای دارند."لوئی دوبروی"در پایان نامه دکترای خود که در سال 1924 به دانشگاه علوم دانشگاه پاریس عرضه شد، وجود امواج مادی را پیشنهاد کرد.
فرضیه دوبروی این بود که همان طور که امواج مادی رفتار ذره ای دارند، ذرات هم نوعی رفتار موجی از خود نشان می دهند.ولی به علت فقدان پشتوانه تجربی، هیچ اهمیتی برای ایده های او قائل نشدند.اما آلبرت اینشتین اهمیت و ارزشمندی این نظریه را تشخیص داد و توجه فیزیکدانان دیگر را به آن جلب کرد.پنج سال بعد در حالی که ایده هایش از طریق تجربه قاطعانه تایید شده بود و "جروج پاکت تامسون" توانسته بود رفتار موجی الکترون را به وسیله آزمایش آشکار کند، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.
نه تنها الکترون ها، بلکه تمام چیزهای مادی با بارالکتریکی و یا بدون بار الکتریکی، در حرکت خود خصلت های موج گونه بروز می دهند.این پیامد ثابت پلانک است.
این معضل دوگانگی موج-ذره را نمی توان با یک توضیح ساده حل کرد.بهترین کاری که می توانیم بکنیم، این است که بگوییم هیچ یک از تصویرهای موجی و ذره ای به طور کامل و در همه اوقات صحیح نیست، بکله برای تشریح کامل پدیده های فیزیک هر دو ضروری هستند.در واقع این دو تصویر، مکمل یکدیگرند.
یکی دیگر از پیامدهای ثابت پلانک، اصل عدم قطعیت است.پیش از ورود ثابت پلانک به فیزیک، تردیدی وجود نداشت که می توان مکان و سرعت هر ذره را در هر لحظه با هر درجه از دقت اندازه گرفت.اما زمانی که ثابت پلانک پابه معرکه می گذارد، دیگر نمی توانیم مکان و سرعت یک ذره کوچک مانند الکترون را همزمان و با هر دقتی که بخواهیم اندازه بگیریم.هرچه سرعت الکترون را دقیق تر اندازه بگیریم، از دقتمان درمورد تعیین مکان آن کاسته می شود؛و هر چه مکان آن دقیق تر مشخص کنیم،دقتمان درمورد اندازه گیری سرعت آن کاهش می یابد.
این اصل، بلافاصله هدف انتقادهای فراوانی قرار گرفت.در واقع این نکته که ساده ترین مختصه یک ذره را نمی توان دقیقا اندازه گرفت، خیلی ناگوار است!ولی هیچ راهی هم برای خلاصی از دست آن وجود ندارد.تا زمانی که ثابت پلانک هست، عدم قطعیت هم هست.
با آن که همه فیزیکدانان توافق دارند نتایجی که نظریه کوانتومی پیش گویی می کند به خوبی با تجربه مطابقت دارد، اما بحث پیرامون بنیاد فلسفی آن همچنان در جریان است.اینشتین که می توان او را یکی از بنیان گذاران نظریه کوانتومی دانست، با پیشرفت های بعدی این نظریه خصوصا این که رفتار ذرات دستگاه های میکروسکوپیک لزوما باید برحسب احتمالات بیان شود، به مخالفت برخواست.گرچه او در نهایت سازگاری منطقی نظریه و توافق آن با حقایق تجربی را پذیرفت، ولی تا آخر هم متقاعد نشد که نظریه کوانتومی واقعیت فیزیک غایی را نشان می دهد.


 
 
 
 

سرور و قالب: پرشین بلاگ
تمامي حقوق اين وبلاگ متعلق به بلاگ تاريخ جهان است.