از مکتب ملطی تا مکتب کپنهاگ – قسمت دوم

بیگ بنگ: پس از مکتب های فلسفی ایام باستان، از عصر رنسانس به بعد مکتبها دقیقا به سوی علوم طبیعت چرخیدند. در قرن نوزدهم و قرن بیستم در همه ی رشته های علمی مکتبهایی تشکیل شد. فیزیک ریزترین اجسامی که در طبیعت می شناسیم، مولکولها، اتمها، هسته ها، و ذرات بنیادی که آن را میکروفیزیک می نامند، ما را به نظریه ها و به مفاهیم جدیدی هدایت کرده است که در مکتب های فیزیک، مثل مکتب مونیخ یا مکتب گوتینگن پرورده شده اند؛ از پر ارج ترین این مکتبها، مکتب نیلز بور در کپنهاگ بوده است.

نیلز بور- فیزیکدان

نیلز بور- فیزیکدان

به گزارش بیگ بنگ، نیلز بور در سال ۱۸۵۵ متولد شد، پدرش استاد فیزیولوژی در دانشگاه بود. نیلز جوان پس از دفاع از تز خود به کمبریج نزد جی.جی.تامسون رفت، اما سر خورده از استقبال سردی که از او شد، در سال ۱۹۱۲ راهی منچستر شد و به رادرفورد پیوست که به تازگی هسته ی اتم را کشف کرده بود. بوهر به زودی پی برد که این کشف اجازه می دهد پدیده های رادیواکتیویته را که در هسته جای دارند از فرایندهای شیمیایی که به قشر الکترونها مربوط می شوند، جدا کرد. او بر این مبنا و با استفاده از نظریه ی کوانتومی ماکس پلانک در سال ۱۹۱۳ مدل تازه ای برای ساختمان اتم ارئه داد که به اتم بور معروف است. این مدل را دو سال بعد آرنولد زومرفلد تکمیل کرد. در سال ۱۹۱۶، بور استاد فیزیک نظری دانشگاه کپنهاگ می شود. او به کار بسط مدل خود ادامه می دهد و آنچه را که اصل همخوانی می نامد بیان می کند. به موجب این اصل، مدل کوانتومی با ساختارهای ریزترین ذرات که انرژی نسبتا زیادی دارند همخوانی دارد، وقتی که ابعاد دستگاه افزایش می یابد، یا وقتی که انرژیها ضعیف تر و اعداد کوانتومی خیلی بزرگ می شوند، با قواعد مکانیک کلاسیک همخوانی دارد. بور، به اتفاق همکارش هندریک کرامرس، از این اصل همخوانی برای توضیح پاره ای « قواعد گزینش» که در طیف های اتمی مشاهده شده بود، استفاده کرد.

در پی بازتاب های نتایج پژوهش های اولیه ی بور در محافل علمی دنیا، دانشمند دانمارکی از کمک مالی برای تاسیس یک انستیتو فیزیک نظری برخوردار شد، که در سال ۱۹۲۱ گشایش یافت. سال بعد، بر مبنای مطالعات نظری بور بر روی طبقه بندی تناوبی عناصر، که پیشگویی می کرد که عنصر هنوز ناشناخته ی۷۲، عنصری شبیه زیرکونیماست و نه یک کانی کمیاب، جورج دوهوسی و دیرک کوستر در کپنهاگ عنصر هافنیم را با چنین خواص پیش بینی شده ای کشف می کنند. در همان سال ۱۹۲۲ نیلز بور، جایزه ی نوبل در فیزیک را دریافت می کند. همین که انستیتو فیزیک نظری کپنهاگ کارش را شروع کرد، امکانات مالی برای دعوت از فیزیکدانهای خارجی در اختیار بور گذاشته شد تا بتواند آنها را برای دوره های کم و بیش طولانی به همکاری دعوت کند. او پر استعداد ترین جوانان آن دوره را که در جریان مسافرتهایش ملاقات می کرد برای کار و پژوهش به کپنهاگ دعوت می کرد.

در ژوئن سال ۱۹۲۲، بور در شهر قدیمی دانشگاهی گوتینگن در آلمان، که چند تن فیزیکدان و ریاضیدان پر آوازه در آنجا کار می کردند، یک رشته کنفرانس داد. این کنفرانسها بازتاب بزرگی داشت، که بعدا آنها را « فستیوال بور» نامیدند. او از نظریه ی جدیدش درباره ی اتمها و از مسائلی که هنوز حل نشده اند صحبت کرد. در جمع شنوندگان ورنر هایزنبرگ جوان بیست ساله که شاگرد آرنولد زومرفلد بود و فردریش هوند، و ولفگانگ پائولی حضور داشتند. پائولی با نگارش مقاله ای درباره ی نظریه ی نسبیت، شهرتی به هم زده بود. در جریان گفت و شنودها، هایزنبرگ نکته ی جالبی مطرح می کند. در پایان کنفرانس، بور به هایزنبرگ نزدیک می شود و به او پیشنهاد می کند با هم قدم بزنند؛ ضمن گفت و گو دانشمند دانمارکی از هایزنبرگ جوان دعوت می کند که بیاید چندی در کپنهاگ اقامت کند.

عکسی از نیلز بور و ورنر هایزنبرگ

عکسی از نیلز بور و ورنر هایزنبرگ

از این زمان است که تفکر درباره ی نظریه ی کوانتومی و تفسیرش به طرزی مستمر و عمیق پیگیری می شود. بر مبنای این مباحثات مشترک، هایزنبرگ قوانین ریاضی مکانیک کوانتومی را که به ماتریس معروف است، شرح و بسط می دهد. در این مکانیک جدید برخی از مفاهیم، نظیر مفهوم مدار دقیق یک الکترون در یک اتم، بی معنا هستند، زیرا نمی توان آن را اندازه گرفت. برای نظریه، تنها آن چیزهایی محل استناد است، که قابل مشاهده اند و تجربه، اندازه گیریشان را ممکن می سازد. به نوشته ی هایزنبرگ، برای بور، در آن ایام، تعریف فیزیکی پدیده ها مقدم بر تدوین قوانین ریاضی آنها بود. بور برای تفسیر فیزیکی مقادیر ریاضی اهمیت اساسی قائل بود. منتها اولویت را به توضیح فیزیکی پدیده ها می داد. درک او از ساختار یک نظریه، نتیجه ی ریاضی فرضیه های آغازین نبود، بلکه از تفکری پر مایه درباره ی پدیده ی واقعی نشئت می گرفت، به قسمی که می توانست به شیوه ای مکاشفه ای و نه از راه استنتاج منطقی، روابط را احساس کند. هایزنبرگ پیش از آنکه نظریه هایش را منتشر کند، مدتی طولانی درباره ی مفاهیم تازه ای که وارد می کرد و نیز درباره ی بیان ریاضی آنها با بور بحث کرد.

امواج نوری، همان طور که تجربه های زیادی آن را نشان می داد، دارای خواص ذره ای بودند. این دوگانگی موج-ذره، یکی از اصول اساسی میکروفیزیک را تشکیل می داد. آلبرت اینشتین آن را درباره ی نور ثابت کرده بود(در نظریه ی فوتو الکتریکش). لویی دوبروی در سال ۱۹۲۴ در مقابل، فرض کرد که ذرات دارای جرم، مثل الکترونها، باید خواص موجی داشته باشند. چندی بعد، اروین شرودینگر نظریه ی مکانیک موجی خود را تدوین و ثابت کرد که مکانیک موجی از لحاظ ریاضی معادل مکانیک کوانتومی هایزنبرگ است. با وجود این، هنوز مسائل جدی حل نشده ای باقی بود و بور از شرودینگر دعوت کرد که در سپتامبر ۱۹۲۶ به کپنهاگ بیاید. هایزنبرگ روایت می کند که بحثها فوق العاده حاد بود و بور هیچ نکته ی مبهمی را درباره ی نظریه ی جدید نمی پذیرفت. در این بین، شرودینگر بیمار شد و بدون آنکه بحثها به توافقی برسد، کپنهاگ را ترک کرد. چنانکه می بینید، رسیدن به تفاهم و به وحدت نظر، آسان نبوده است.

دانشمندان خالق نظریه کوانتومی، پایین از راست به چپ: اروین شرودینگر، ورنر هایزنبرگ، ولفگان پائولی، بالا از راست به چپ: ماکس پلانک، آلبرت اینشتین و نیلز بور. آلبرت اینشتین بیشتر با نظریه نسبیت معروف شده است اما جایزه نوبل را نه بخاطر این نظریه بلکه با بسط تئوری کوانتوم و مکانیک آماری در سال ۱۹۲۱ بدلیل کشف اثر فوتوالکتریک دریافت کرد.

فیزیکدان انگلیسی پل دیراک موفق شد نظریه ی شرودینگر را با فرمول نسبیت بیان کند، سرانجام در سال ۱۹۳۲ جایزه ی نوبل در فیزیک به هایزنبرگ و سال بعد به شرودینگر و دیراک اعطا شد. از همان اولین مطالعات روی رادیواکتیویته، شمارش آماری ابتدا تلویحی سپس آشکارا مورد استفاده قرار گرفت. قانون کاهش رادیواکتیویته و مفهوم دوره، ماهیت آماری دارند. نسبت معین هسته های موجود، بر حسب واحد زمان، فرو پاشیده می شود، اتمها همه مثل هم هستند و از یکدیگر قابل تشخیص نیستند، با این حال، برخی از اتمها بلافاصله فروپاشیده می شوند و بقیه خیلی دیرتر فروپاشیده خواهند شد، این، یک مسئله ی ناب احتمال است. در نتیجه ی پیگیری معلوم شد که بسیاری از پدیده های اتمی از قوانین آماری تبعیت می کنند. تفسیر این قوانین آماری ابتدا مسائل دشواری را مطرح می کرد. بور و همکارانش به این نتیجه رسیدند که همه ی مقادیر فیزیکی در سطح اتمی دارای مشخصات آماری هستند.

ماکس بورن در سال ۱۹۲۶ در گوتینگن نشان داد که مربع تابع موج، که شرودینگر بیان کرده بود، مبین احتمال حضور ذره در هر مکان است. در آغاز سال ۱۹۲۷ هایزنبرگ، که آن وقت در کپنهاگ اقامت داشت، اصل عدم قطعیت خود را بیان کرد، که گاهی آن را اصل عدم تعین می نامند، که به موجب آن: همزمان نمی توان مکان و سرعت یک ذره را با دقت قطعی مشخص کرد، یا اینکه همزمان نمی توان مقدار انرژی و اندازه ی حرکت یک رویداد اتمی را تعیین کرد. به زبان دقیق تر، میان عدم قطعیت هایی که می توان در دو کمیت از این کمیتهای مزدوج به دست آورد، رابطه ای وجود دارد. مثلا اگر بتوان با دقت، سرعت یک ذره را تعیین کرد، مکان آن را جز به تقریب نمی توان معلوم کرد. حاصلضرب دو عدم قطعیت، مساوی است با ثابت پلانک(h) تقسیم بر(ᴫ۲)، که البته مقدار بسیار کوچکی است. یک نوار پرتوی ایکس که از یک اتم گسیل می شود، یک پهنای ذاتی انرژی دارد، به موجب روابط عدم قطعیت، مقداری نوسان درباره ی لحظه ی دقیق گسیل فوتون های ایکس که نوار را تشکیل می دهند با آن متناظر است، پهنای انرژی و طول عمر حالت متناظر با آن، هر دو قابل اندازه گیری هستند. مثلا یک نوار با پهنای انرژی دو سوم از یک هزارم الکترون ولت، با طول عمر یک میلیونیم میلیونیم متناظر است.

بور و هایزنبرگ مدتها از خود می پرسیدند چگونه می توان پدیده ای ساده مثل مسیر یک الکترون در یک اتاقک ابر را با بیان ریاضی مکانیک کوانتومی تلفیق داد؟ اصل عدم قطعیت، پاسخ دادن به این پرسش را امکان پذیر می کرد، سرعت الکترون با دقتی کافی از راه اندازه گیری انحنایش در یک میدان مغناطیسی، معلوم شده بود. مکان الکترون در اتاقک ابر، به صورت تجربی تعین پذیر نیست مگر در حد قطره های ریز آبی که مسیر را مشخص می کند. بور در همین ایام اصل مکمل بودن خودش را تکمیل کرده بود که به موجب آن، کمیتهای زوجی وجود دارند که هر دو برای توصیف کامل پدیده ی اتمی ضرورت دارند، اما مشاهده و تعریف دقیق یکی از آنها مشاهده و تعریف دقیق دیگری را منتفی می سازد. برخی از کمیتها همزمان قابل مشاهده نیستند. میان بور و هایزنبرگ با شرکت اسکار کلاین و ولفگانگ پائولی بحثهای طولانی صورت گرفت تا به این نتیجه برسند که اصل عدم قطعیت که رابطه ی محدودیت دو جانبه را تشکیل می دهد، حالت خاصی از اصل عمومی مکمل بودن است: مکان و سرعت، مکمل یکدیگرند، همان طور که موج و ذره نیز مکمل هم هستند.

ادامه دارد »»»

نویسنده: محمد پرگلی / سایت علمی بیگ بنگ

منبع: تاریخچه ی اتم

قسمت اول

image_pdfimage_print
(9 نفر , میانگین : 5٫00 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=25654
محمد پرگلی

محمد پرگلی

نویسنده این مطلب : محمد پرگلی، در رشته ی کارشناسی شیمی کاربردی در حال تحصیل میباشد. علاقمند به علوم مختلف از جمله فيزيك و ریاضیات می باشد و در زمینه ی نگارش مقاله با وب سایت بیگ بنگ همکاری می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

پاسخ دهید

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