كوانتاي انرژي اينشتين (فوتون‌ها) – قسمت اول

1
910

يكي از معدود خوانندگان تيزهوش مقاله‌هاي اوليه ماكس پلانك در باب نظريه‌ي كوانتومي، آلبرت اينشتين، كارمند اداره‌ي ثبت اختراعات برن بود. از نظر اينشتين فرض بديهي عناصر انرژي، روشن و واقعي و با اين حال ترس‌آور مي‌نمود. او در اين باره گفته بود:

«« آن چنان كه زمين زير پاي فرد خالي مي‌شود و هيچ زيربناي محكمي وجود ندارد كه بتواند خانه را بر روي آن بنا نهد.»

با اين حال اينشتين تا پايان عمر در جستجوي زيربناي محكم بود. او حتي بدون در اختيار داشتن مبناي مفهومي ارضاكننده‌اي، به كشف اصل قدرتمندي دست يازيد كه نظريه‌ي كوانتوم را در گام بزرگ بعدي‌اش پس از كار پلانك به پيش برد. او نظريه‌اش را در يكي از مقاله‌هاي سال معجزه يعني 1905 ارائه كرد.

پلانك در استفاده از مفهوم كوانتوم محتاط بود. او به دليل مناسبي كه به دلالت‌ها و معاني ضمني راديكال اين مفهوم مربوط مي‌شد، در برخورد با كوانتوم به عنوان يك موجود واقعي ترديد داشت و مواظب بود كه هيچ‌ چيز را در مورد ميدان تابش در داخل كوره‌ي جسم سياه كه بخشي از آن نور و بخش ديگر تابش گرمايي بود برهم نزند. كوانتاي انرژي كه از آن صحبت مي‌كرد مربوط به مدل تشديد‌گر مولكول‌هاي در حال ارتعاش در ديواره‌هاي كوره بود. اينشتين در يكي از مقاله‌هاي 1905 و در چندين مقاله بعد از آن ديدگاهي ابتكاري ارائه داد كه به موجب آن كوانتاي واقعي وجود دارد و مي‌توان از آن از طريق آزمايش‌هاي خاصي به عنوان جزاي سازنده‌ي نور و ميدان‌هاي تابشي ديگر يافت. او ديدگاه خود را با وضوح و جسارت بارزي بيان كرد:

«« طبق فرضي كه در اينجا اتخاذ كرده‌ايم، انرژي پرتو نور … به طور پيوسته در فضايي گسترش‌يابنده توزيع نشده بلكه شامل تعداد متناهي از كوانتاي انرژي است كه در فضا جاي گزيده‌اند و بدون تقسيم‌شدن حركت مي‌كنند و تنها به شكل واحدهاي كامل توليد و جذب مي‌شوند.»

با اينكه تصويري را كه اينشتين ارائه كرد، با صفت “ابتكاري” توصيف شد، تصوير مذكور بسيار ساده است:

انرژي موجود در ميدان‌هاي تابشي به ويژه‌ نور داراي توزيع پيوسته نيست، بلكه در چيزهايي ذره‌گونه جايگزين گشته است.

اينشتين اين ذرات تابش را “كوانتاي انرژي” ناميد. آنها را در كاربرد مدرن با اعمال تغييراتي در نظريه‌ي اينشتين، “فوتون” مي‌نامند.

Einstein

اينشتين مفهوم فوتون‌هاي خود را از طريق استدلال‌هاي موجز و زيركانه به سبك مقاله‌ي 1900 پلانك بسط داد. مفهوم آنتروپي و معادله‌هاي بنيادي ترموديناميك، دوباره دروازه‌ها را به سوي قلمرو كوانتوم گشود. معادله‌هاي آنتروپي براي ميدان تابش، ميدان را همانند گاز ايده‌آلي نشان مي‌دهد كه تعداد بسيار اما متناهي از ذرات مستقل دارد. هر كدام از اين ذراتِ تابش (فوتون‌ها)، مقداري انرژي حمل مي‌كنند كه با عناصر انرژي پلانك hv  مشخص مي‌شود.

v بسامد تابش است. اگر n فوتون موجود باشد، انرژي كل عبارت است از:

E=Nhv

اينشتين با استفاده از معادله‌ي فوق به اين نتيجه رسيد كه ميدان تابش مانند گاز ايده‌آل، N ذره‌ي مستقل دارد و انرژيِ يك فوتون تنها عبارت است از:

E/N=hv

اينشتين با اين استدلال متقاعد شده بود، اما به نظر نمي‌آمد كه كس ديگري در اين اعتقاد با او سهيم بوده باشد. سال 1905 بود. اصل موضوع كوانتوم پلانك هنوز مورد توجه عمده نبود و اينشتين آن را به نور و اشكال ديگر تابش اعمال كرد، گامي كه پلانك خود تا 10 سال ديگر برنداشت. آنچه پلانك و خوانندگان مقاله‌ي 1905 اينشتين را مي‌آزرد، اين مسئله بود كه بحث از مفهوم نور در شكل ويژه‌‌ي آن به مدت تقريباً يك قرن به طور جدي براي فيزيك‌دانان مطرح نبود. نظريه‌ي نورشناخت غالب بود. تصور غالب تقريباً در كل قرن نوزدهم اين بود كه نور عبارت است از رشته‌اي از جبهه‌هاي موج كه با امواج دايره‌اي حاصل از انداختن سنگريزه در آب ساكن مشابهت دارد. از زمان كارهاي توماس يانگ و اگوستين فرنل در اوايل قرن نوزدهم اين فرض برقرار بود كه امواج نور مسبب ايجاد الگوي تداخل و نوارهاي تاريكي است كه از كنار هم قرار گرفتن دو پرتو نور به نحو ويژه حاصل مي‌شود. پديده‌هاي نورشناختي ديگر به ويژه شكست و پراش نيز به سادگي با نظريه‌ي موجي نور قابل توضيح است.

آلبرت اينشتين يكصد سال پس از اولين مقاله‌هاي يانگ، اين اندازه جسارت داشت كه بگويد توجه دوباره به پيشنهاد نيوتون يعني نور همانند دوشي از ذرات، از ارزش ابتكارآميز برخوردار است. اينشتين با توجه به كاربردهاي ويژه‌اي كه در اصل موضوع كوانتوم يافت به تعبير ذرات نور رسيد و مهم‌تر از آن در يكي از مقاله‌هاي 1905 نشان داد كه نتايج تجربي، گواهي برانگيزاننده‌اي در مورد وجود ذرات نور ارائه مي‌كند كه تناقض اساسي با آزمايش‌هاي قبلي بر مبناي نظريه‌ي به ظاهر غير قابل رد موجي دارد.

ادامه دارد…

منبع:  كتاب زندگي و زمانه فيزيك‌دانان پيشرو از گاليله تا هاوكينگ نوشته‌ي ويليام اچ. كراپر



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

یک دیدگاه

  1. 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