کوانتای انرژی اینشتین (فوتون‌ها) – قسمت اول

یکی از معدود خوانندگان تیزهوش مقاله‌های اولیه ماکس پلانک در باب نظریه‌ی کوانتومی، آلبرت اینشتین، کارمند اداره‌ی ثبت اختراعات برن بود. از نظر اینشتین فرض بدیهی عناصر انرژی، روشن و واقعی و با این حال ترس‌آور می‌نمود. او در این باره گفته بود:

«« آن چنان که زمین زیر پای فرد خالی می‌شود و هیچ زیربنای محکمی وجود ندارد که بتواند خانه را بر روی آن بنا نهد.»

با این حال اینشتین تا پایان عمر در جستجوی زیربنای محکم بود. او حتی بدون در اختیار داشتن مبنای مفهومی ارضاکننده‌ای، به کشف اصل قدرتمندی دست یازید که نظریه‌ی کوانتوم را در گام بزرگ بعدی‌اش پس از کار پلانک به پیش برد. او نظریه‌اش را در یکی از مقاله‌های سال معجزه یعنی ۱۹۰۵ ارائه کرد.

پلانک در استفاده از مفهوم کوانتوم محتاط بود. او به دلیل مناسبی که به دلالت‌ها و معانی ضمنی رادیکال این مفهوم مربوط می‌شد، در برخورد با کوانتوم به عنوان یک موجود واقعی تردید داشت و مواظب بود که هیچ‌ چیز را در مورد میدان تابش در داخل کوره‌ی جسم سیاه که بخشی از آن نور و بخش دیگر تابش گرمایی بود برهم نزند. کوانتای انرژی که از آن صحبت می‌کرد مربوط به مدل تشدید‌گر مولکول‌های در حال ارتعاش در دیواره‌های کوره بود. اینشتین در یکی از مقاله‌های ۱۹۰۵ و در چندین مقاله بعد از آن دیدگاهی ابتکاری ارائه داد که به موجب آن کوانتای واقعی وجود دارد و می‌توان از آن از طریق آزمایش‌های خاصی به عنوان جزای سازنده‌ی نور و میدان‌های تابشی دیگر یافت. او دیدگاه خود را با وضوح و جسارت بارزی بیان کرد:

«« طبق فرضی که در اینجا اتخاذ کرده‌ایم، انرژی پرتو نور … به طور پیوسته در فضایی گسترش‌یابنده توزیع نشده بلکه شامل تعداد متناهی از کوانتای انرژی است که در فضا جای گزیده‌اند و بدون تقسیم‌شدن حرکت می‌کنند و تنها به شکل واحدهای کامل تولید و جذب می‌شوند.»

با اینکه تصویری را که اینشتین ارائه کرد، با صفت “ابتکاری” توصیف شد، تصویر مذکور بسیار ساده است:

انرژی موجود در میدان‌های تابشی به ویژه‌ نور دارای توزیع پیوسته نیست، بلکه در چیزهایی ذره‌گونه جایگزین گشته است.

اینشتین این ذرات تابش را “کوانتای انرژی” نامید. آنها را در کاربرد مدرن با اعمال تغییراتی در نظریه‌ی اینشتین، “فوتون” می‌نامند.

Einstein

اینشتین مفهوم فوتون‌های خود را از طریق استدلال‌های موجز و زیرکانه به سبک مقاله‌ی ۱۹۰۰ پلانک بسط داد. مفهوم آنتروپی و معادله‌های بنیادی ترمودینامیک، دوباره دروازه‌ها را به سوی قلمرو کوانتوم گشود. معادله‌های آنتروپی برای میدان تابش، میدان را همانند گاز ایده‌آلی نشان می‌دهد که تعداد بسیار اما متناهی از ذرات مستقل دارد. هر کدام از این ذراتِ تابش (فوتون‌ها)، مقداری انرژی حمل می‌کنند که با عناصر انرژی پلانک hv  مشخص می‌شود.

v بسامد تابش است. اگر n فوتون موجود باشد، انرژی کل عبارت است از:

E=Nhv

اینشتین با استفاده از معادله‌ی فوق به این نتیجه رسید که میدان تابش مانند گاز ایده‌آل، N ذره‌ی مستقل دارد و انرژیِ یک فوتون تنها عبارت است از:

E/N=hv

اینشتین با این استدلال متقاعد شده بود، اما به نظر نمی‌آمد که کس دیگری در این اعتقاد با او سهیم بوده باشد. سال ۱۹۰۵ بود. اصل موضوع کوانتوم پلانک هنوز مورد توجه عمده نبود و اینشتین آن را به نور و اشکال دیگر تابش اعمال کرد، گامی که پلانک خود تا ۱۰ سال دیگر برنداشت. آنچه پلانک و خوانندگان مقاله‌ی ۱۹۰۵ اینشتین را می‌آزرد، این مسئله بود که بحث از مفهوم نور در شکل ویژه‌‌ی آن به مدت تقریباً یک قرن به طور جدی برای فیزیک‌دانان مطرح نبود. نظریه‌ی نورشناخت غالب بود. تصور غالب تقریباً در کل قرن نوزدهم این بود که نور عبارت است از رشته‌ای از جبهه‌های موج که با امواج دایره‌ای حاصل از انداختن سنگریزه در آب ساکن مشابهت دارد. از زمان کارهای توماس یانگ و اگوستین فرنل در اوایل قرن نوزدهم این فرض برقرار بود که امواج نور مسبب ایجاد الگوی تداخل و نوارهای تاریکی است که از کنار هم قرار گرفتن دو پرتو نور به نحو ویژه حاصل می‌شود. پدیده‌های نورشناختی دیگر به ویژه شکست و پراش نیز به سادگی با نظریه‌ی موجی نور قابل توضیح است.

آلبرت اینشتین یکصد سال پس از اولین مقاله‌های یانگ، این اندازه جسارت داشت که بگوید توجه دوباره به پیشنهاد نیوتون یعنی نور همانند دوشی از ذرات، از ارزش ابتکارآمیز برخوردار است. اینشتین با توجه به کاربردهای ویژه‌ای که در اصل موضوع کوانتوم یافت به تعبیر ذرات نور رسید و مهم‌تر از آن در یکی از مقاله‌های ۱۹۰۵ نشان داد که نتایج تجربی، گواهی برانگیزاننده‌ای در مورد وجود ذرات نور ارائه می‌کند که تناقض اساسی با آزمایش‌های قبلی بر مبنای نظریه‌ی به ظاهر غیر قابل رد موجی دارد.

ادامه دارد…

منبع:  کتاب زندگی و زمانه فیزیک‌دانان پیشرو از گالیله تا هاوکینگ نوشته‌ی ویلیام اچ. کراپر

image_pdfimage_print
(12 نفر , میانگین : 4٫67 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=1864
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

یک پاسخ

  1. Jay گفت:

    ضمن تشکر از انتشار این مطلب بسیار زیبا “کونتای انرژی انیشتین” . لازم دیدم تذکری در ارتباط با ترجمه داشته باشم. متاسفانه مترجم محترم این مقاله آنرا بصورت کاملا تحت الفظی برگردان نموده، با توجه به ضعف نگارش و نیز برخی کلمات که غیر مناسب استفاده شده اند؛ در محل های مختلف این مورد به وضوح مشهود می باشد.
    امید است پیش از انتشار سایر مقالات توجهی به مراتب فوق داشته باشید.
    با سپاس فراوان

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *