مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ – قسمت نهم

پارادوكس‌هاي كوانتومي – الگوي تداخل

داستان نظريه‌ي كوانتومي هم مانند نسبيت به آزمايش يانگ در 1801 باز مي‌گردد كه به نظر مي‌آمد به بحث و مناقشه درباره‌ي اين مسأله كه نور موج است يا ذره، خاتمه داده است. يانگ نشان داد كه وقتي باريكه‌ي نور از ميان صفحه‌اي با دو شكاف عبور كند، به طور همزمان الگوي تداخلي به وجود مي‌آورد. اين كاري است كه از امواج بر مي‌آيد. ذرات اينگونه عمل نمي‌كنند.
مي‌توانيد با استفاده از آزمايش يانگ، باريكه‌اي از نور را ضعيف‌تر و ضعيف‌تر كنيد. اما بدون توجه به اينكه اينكار را چگونه انجام مي‌دهيد، مشاهده خواهيد كرد كه الگوي تداخل همچنان وجود دارد.
در حقيقت، اگر نور ذره‌اي بود، در يك نقطه (زماني‌كه باريكه به قدر كافي ضعيف و تار مي‌شد) تنها يك ذره از نور در هر زمان از شكاف عبور مي‌كرد. به اين ترتيب اگر قرار مي‌بود اين آزمايش را چندين و چند بار تكرار كنيد، هرگز نخواهيد ديد كه يك تك فوتون به صفحه‌ي آشكارساز برخورد كند. هميشه يك الگوي تداخل وجود دارد. حتي با يك تك ذره كه در يك زمان از ميان شكاف‌ها عبور مي‌كند، باز هم الگوي تداخل پديد مي‌آيد. انگار ذره با خودش هم تداخل مي‌كند و نمي‌گذارد به مكان مشخصي از آشكارساز برخورد كند.

چطور ممكن است يك ذره بتواند الگوي تداخل را پديد آورد. چگونه مي‌شود ذره‌اي تقسيم‌ناپذير احتمالاً با خودش تداخل كند؟ عقل سليم كه مي‌گويد اينكار ممكن نيست. اگر نور ذره‌ بود، آن‌ هنگام كه پرتو بسيار ضعيف و كدر مي‌شد، الگوي تداخل بايد به ناگاه ناپديد مي‌شد؟ اما چنين اتفاقي روي نمي‌دهد. الگوي تداخل باقي مي‌ماند. بنابراين دانشمندان اينطور نتيجه گرفتند كه نور بايد يك موج باشد نه ذره.
معادلات ماكسول كه بسيار شبيه به آن معادلاتي بودند كه نشان داد موج آب چگونه در اقيانوس پخش مي‌شود، اين فكر را تقويت كردند. نور مانند يك موج رفتار مي‌كند؛ روابط رياضي ابداع شده براي امواج رفتار آن را به خوبي توصيف مي‌كند. بنابراين نور بايد موج باشد نه ذره. دانشمندان پرونده را در همين جا ديگر بستند.

اما پس از آن چند مشكل به وجود آمد. مهمترين آنها در سال 1887 زماني پديدار شد كه فيزيك‌دان آلماني به نام ««هاينريش هرتز»» پديده ناهنجار و عجيبي را كشف كرد:
وقتي صفحه‌اي فلزي را در مسير پرتو موج فرابنفش قرار مي‌داد، فلز جرقه مي‌زد. نور، الكترون‌هاي روي لبه‌ي فلز را مي‌كند. اين «« اثر فوتوالكتريك»» را با همان قطعيتي نمي‌شد شرح داد كه فريزهاي تداخلي را نمي‌شد با نظريه‌ي ذره‌اي توصيف كرد. شكست نظريه‌ي موجي در توضيح جرقه‌هاي هرتز به انرژي مربوط مي‌شد. جرقه‌هايي كه به در فلز به وجود مي‌آمدند، حاصل كنده شدن الكترون‌ها از اتم‌هاي فلز بودند، رخدادي كه انرژي نور مسبب آن بود.

انرژي مشخص و معلومي، الكترون را به اتم آن پيوند مي‌زند. اگر بخواهيد الكتروني را از قيد هسته‌ي اتمش آزاد كنيد، چاره‌اي نداريد مگر آنكه براي شكستن پيوند آن با هسته‌ي اتمش انرژي مصرف كنيد. اگر يك ضربه‌ي سهمگين زيراتمي انرژي كافي نداشته باشد، الكترون كمي از اتمش دور مي‌شود، ولي دوباره فرو مي‌افتد. با اين همه اگر به الكترون نيرويي وارد كنيد كه انرژي پيوندي آن به اتم بيشتر باشد، آن نيرو الكترون را به طور كامل از اتم خارج مي‌كند.
در اثر فوتوالكتريك منبع انرژي آن ضربه‌ي شديد به الكترون ناگزير از نور تأمين مي‌شود. حال فرض كنيد نور موج باشد. در اين صورت، ضربه‌زني موجي نوري مي‌بايست انرژي آن موج را به الكترون‌ها منتقل سازد و انرژي لازم براي غلبه بر نيروي بستگي آنها را برايشان تأمين كند. اين انرژي باعث مي‌شود الكترون‌ها از هسته‌ي اتم به بيرون پرتاب شوند. اگر اين امواج انرژي كافي به الكترون‌ها نرسانند، يعني اگر انرژي كل اين امواج زير حد آستانه‌ي مورد نياز براي جدايي الكترون‌ها باشد، در آن‌صورت الكترون‌ها كماكان در قيد هسته‌ خواهند ماند. به هر طريق، اگر امواج به اندازه‌ي كافي پر انرژي باشد، آنگاه است كه موجب جرقه‌زدن فلز مي‌شوند.
تا اينجا كه همه چيز خوب پيش رفت.
اما در نظريه‌ي امواج دو راه براي افزايش انرژي يك بسته موج در حال ورود وجود دارد. روش اول به راحتي قابل مشاهده است:
فقط ارتفاع امواج را بزرگتر كنيد. ارتفاع موج را دامنه مي‌ناميم. هر چه موج بزرگتر باشد، دامنه آن و نيز انرژي كه با خود حمل مي‌كند، بيشتر خواهد بود.
دومين روش براي افزايش انرژي در مجموعه‌اي از امواج روشي است كمي پيچيده‌تر: فركانس موج‌ها را زياد كنيد. اگر قله‌هاي موج به هم نزديك‌تر باشند، محتواي انرژي‌شان نيز بيشتر خواهد بود. در مورد نور، فركانس متناسب با رنگ است. نور با فركانس پايين‌تر (مادون قرمز، قرمز و نارنجي) محتواي انرژي كمتر از زرد و سبز آبي يا بنفش دارد كه فركانس‌هاي بيشتري دارند. نور فرابنفش و اشعه‌ي ايكس انرژي بيشتري دارند. زيرا فركانس‌هاي آنها از امواج مرئي بيشتر است. نور مرئي و اشعه‌ي ايكس انرژي بيشتري دارند زيرا فركانس‌هاي آنها از امواج مرئي بيشتر است.
هرتز ابتدا آزمايش خود را با فركانس‌هاي متفاوت نوري آغاز كرد. نور قرمز باعث جرقه‌زني نشد. نور آبي و سبز هم كاري از پيش نبردند. اما وقتي نور به فركانسي به اندازه كافي زياد رسيد (پرتو فرابنفش)، جرقه‌زني ناگهان آغاز شد.
سپس شدت پرتو را افزايش داد. هرچه‌قدر هم كه رنگ پرتو را روشن‌تر كرد، باز الكتروني از مدارش خارج نشد. تازه ازا ين بدتر هم اينكه حتي ضعيف‌ترين پرتو فرابنفش كه بر اساس نظريه‌ي موجي نور، نبايد انرژي كافي براي آزادكردن الكترون‌ها از هسته را داشته باشد، باعث جرقه‌زني مي‌شد. همانطور كه معني ندارد يك ذره‌ي نور بتواند با خودش تداخل كند، اين هم بي‌معني است كه يك موج ضعيف فرابفنش بتواند الكترون‌ها را آزاد كند. در حالي‌كه يك پرتو زرد پر نور طبق نظريه‌ي موجي نور مي‌تواند.
در نظريه‌ي امواج، بايد يك حد آستانه‌ي دامنه براي رخ دادن اثر فوتوالكتريك وجود داشته باشد، همانطور كه يك آستانه‌ي فركانس خاصي بايد وجود داشته باشد.
اما آزمايش هرتز نشان داد به نظر مي‌رسد تنها فركانس است كه اهميت دارد. اين يافته با معادلات موج نور كه دانشمندان با آنها موافق بودند در تعارض كامل بود.

فيزيك‌دانان واقعاً گير كرده بودند. آنها نتوانستند تداخل را با استفاده از نظريه‌ي ذره‌اي موج توضيح دهند و از طرف ديگر هم نتوانستند، اثر فوتوالكتريك را با نظريه‌ي موجي نور توضيح دهند. نزديك به 20 سال طول كشيد تا دريافتند كه اشتباه كجا بوده و وقتي اينشتين اين كار را انجام داد (در همان سال 1905 كه نظريه‌ي نسبيت را صورت‌بندي كرد)، نظريه‌ي موجي نور براي هميشه از بين رفت. آنچه پديد آمد، يعني نظريه‌ي كوانتومي، در جاي خود يك تئوري كاملاً جديد بود. توضيح اينشتين از اثر فوتوالكتريك بود كه برايش جايزه‌ي نوبل را به ارمغان آورد و نظريه‌ي كوانتومي را خط فكري روز فيزيك كرد.