پلانك و مكانيك كوانتومي

پلانك و مكانيك كوانتومي

مردي كه فصلي را در دنياي فيزيك گشود

در يكي از روزهاي زمستان سال 1900 ميلادي در شهر برلين يك استاد 42 ساله دانشگاه پسر كوچكش را براي پياده روي بيرون برده بود. در طول راه او رازي را براي فرزندش آشكار كرد ( امروز چيزهايي به ذهن من رسيدند كه به اندازه افكاري كه به ذهن اسحاق نيوتن خطور كردند تحول برانگيزو بزرگند). آن استاد كسي نبود جز ماكس پلانك و تنها چند ساعت پيش از آن او بينشي نسبت به ماهيت واقعيت يافته بود كه فيزيك كلاسيك را از هم مي پاشيد و نحوه تفكر در دنياي نوين را تغيير مي داد. اين عقايد از طريق عاملي پيش پا افتاده به ذهن پلانك خطور كرده بودند همانند بسياري از فيزيكدانان ديگر.

در يك قرن پيش پلانك روي مسائلي در ارتباط با ويژگي هاي اساسي حرارت كار مي كرد. هنگامي كه او در تلاش بود تا ماهيت آزمايش‌هاي مربوط به گرما و نور برخاسته از يك جسم ساده گرم و درخشان «جسم سياه) را دريابد، متوجه شد كه ناگزير است عقيده اي به ظاهر مسخره را بپذيرد. اينكه انرژي تابشي برخاسته از اجسام نه به صورت پيوسته بلكه در بسته هايي مجزا به اطراف پراكنده مي شود.

پلانك هر يك از اين بسته ها را يك "كوانتوم" ناميد. كه واژه اي برگرفته از لاتين و به معناي "چه مقدار" است و در جمع "كوانتا" خوانده مي شود. و رابطه اي را روي كاغذ آورد كه انرژي آنها را به فركانس ربط مي داد. با اين كار او پدر نظريه مكانيك كوانتومي شد. اين نظريه شامل قوانيني بود كه بر اين بسته هاي انرژي حاكم بودند. و البته به زودي مشخص شد كه دامنه نفوذ آنها بسيار فراتر از همين بسته هاست.

امروزه مي دانيم كه نظريه مكانيك كوانتومي ، حاكم بر تمامي مسائل است كه در عالم وجود دارند. از كوچكترين ذرات زيراتمي گرفته تا نيروهاي فضا زمان. اين نظريه توضيح مي دهد كه

ريز تراشه ها چگونه كار مي كنند؟

چرا گچ سفيد است؟

اتم ها چگونه انرژي هسته اي خود را آزاد مي كنند؟

نظريه مكانيك كوانتومي شالوده كل صنعت الكترونيك است. و در عين حال ممكن است منشا عالم «انفجار بزرگ) را نيز توضيح دهد. پلانك آنقدر زنده ماند تا ببيند كه كوانتاي او چه گستره وسيعي از پديده ها را توضيح مي دهند. گستره اي كه هنوز هم انتهايي بر آن متصور نيست. اما او همچنان يك "انقلابي ميل" باقي ماند.

پلانك سالها در جستجوي راههايي براي رهايي از كوانتوم ها وقت صرف كرد. براي او مايه شرمساري بود كه سبب شهرتش دنبال مفهومي باشد كه خود او به سختي آن را باور داشت. اما درنهايت اكتشافات بنياد افكن پلانك بيش از آن كه ناشي از استعداد هاي علمي باشد، از صداقت خلل ناپذير او برخاسته بود.

پلانك با اينكه باورهاي خودش را واژگون شده و ادراكش از واقعيت را ديگر گونه مي ديد. سرانجام آنچه را كه معادلاتش به او مي گفتند، پذيرفت. او به يكي از همكاران فيزيكدانش پس از اينكه ستيز براي احتراز از مفاهيم نظريه مكانيك كوانتومي را وانهاده بود، اين طور گفته بود: "اين كار هيچ فايده اي ندارد ما مجبوريم با نظريه مكانيك كوانتومي زندگي كنيم."

كشفي كه به يك انقلاب منجر شد

در ادامه مطالعه جسم سياه ، در عرض چند ساعت پلانك رابطه اي را يافت كه به نظر مي رسيد قادر به انجام چنين كاري است. او دريافت كه طول موج تابش هر مقدار كه باشد، پاسخ صحيح را به دست مي دهد. ساير دانشمندان به سرعت كشف او را به عنوان پيشرفتي كليدي مورد تحسين قراردادند، اما براي پلانك تنها اين كافي نبود او مي خواست بداند كه چرا رابطه اش كار مي كند؟

در جستجوي پاسخي براي اين پرسش او در ذهن خود مجسم كرد كه جسم سياه از نوسانگرهاي بسيار كوچكي ساخته شده است كه هر يك از آنها تابش هاي الكترومغناطيسي از خود گسيل مي كنند. اين گامي بسيار اساسي بود كه پلانك برداشت. در آن زمان فيزيكدانان اندكي آنقدر شهامت داشتند كه به تشكيل يافتن ماده از اتم ها معتقد باشند. تشكيل شدن انرژي از اجزا كوچك كه ديگر جايي براي خود داشت. با اين حال به نظرمي رسيد كه اين نگرش كار آمد است.

با استفاده از نظريه الكترومغناطيسي پلانك دريافت كه مدلي كه او به اين ترتيب از جسم سياه ساخته است، بخشي از رابطه رياضي انرژي ساطع شده از جسم سياه را به دست مي دهد «محاسبه انرژي تابشي جسم سياه). تمام آنچه كه مي ماند، تبديل كردن اين رابطه به شكل رابطه اي بود كه پلانك در آن عصر يكشنبه سرهم كرده بود. اينجا بود كه پلانك كشف تاريخي اش را انجام داد.

كشف تاريخي پلانك

پلانك دريافت كه براي دستيابي به هماهنگي لازم با رابطه يافته شده ، بايد فرض را بر اين بگذارد كه نوسانگرهاي كوچك نمي توانند تحت هر فركانسي كه دلشان خواست نوسان كنند. براي فيزيكداني كه با هزاران سال تحقيق و پژوهش در مورد نوسان اشباع شده بود، اين كار ارتداد محض بود. حتي يونانيان باستان هم مي دانستند كه سيم هاي كشيده شده را مي توان تحت هر فركانسي به نوسان در آورد. حتي اگر نتيجه كار چندان هم موسيقي يايي نباشد.

با اين وجود ، براي اينكه رابطه پلانك بتواند كار آمد باشد، او مي بايست اين را مي پذيرفت كه نوسان گرهاي كوچك در جسم سياه همانند يك زه ويولن هستند كه مي توانند دو نت موسيقي متوالي را توليد كند، اما قادر به توليد هيچ صدايي بين آن دو نيست. پلانك تلاش كرد تا از يافته عجيب خودش سردرآورد. اما در دانش شناخته شده فيزيك در آن روز چيزي وجود نداشت كه بتواند به او كمك كند.

در آنچه كه او بعدها آن را "عملي از روي ناچاري" ناميد، پلانك پذيرفت كه انرژي تابش شده در واحدهاي بسته بندي شده اي كه او آنها را كوانتا ناميده، گسيل مي شود. و دليل او نيز چيزي بيش از آن نبود كه رابطه حاصل از اين رويكرد كار آمد است و به پاسخ هاي درست منتهي مي شود. در عين حال پلانك احساس مي كرد كه كشفي بزرگ را به انجام رسانده ، همان كشفي كه هنگام قدم زدن در آن روز زمستاني براي پسرش از آن صحبت مي كرد.

يكي از منافع جنبي كشف او رابطه ساده اي بود كه مقدار انرژي موجود در اين بسته ها را به طول موج آنها ربط مي داد. هر چه طول موج كوتاهتر باشد انرژي بيشتر خواهد بود. ارتباط اين دو متغيير را كميتي كه با h نشان داده مي شد، برقرارمي كرد. چيزي كه در حال حاضر ثابت پلانك خوانده مي شود. هم اكنون مشخص شده است كه اين ثابت همراه با سرعت نور C و ثابت گرانش نيوتن از لحاظ كيهان شناسي اهميت بسيار زيادي دارد.

پلانك به قله دانش صعود مي كند

هم اكنون فيزيك كوانتومي به عنوان موفق ترين نظريه علمي شناخته مي شود. زيرا مبدع اين نظريه پلانك افتخارات بسياري از جمله جايزه نوبل فيزيك 1918 را از آن خود كرد. در آن هنگام پلانك 60 ساله باقي توان خود را بر گرد آوردن بهترين فيزيكدانان دوران از جمله آلبرت انيشتين در برلين ، براي كار روي نظريه مكانيك كوانتومي متمركز كرده بود. اين كار ارزشمند را پلانك در حالي انجام مي داد كه در زندگي شخصي خود با رويدادهاي غم انگيز هولناكي رو در رو بود.

حوادث ناگوار پلانك

در سال 1916 پسر او ، همان كسي كه كشفش را اولين بار براي او بازگو كرده بود، در يك عمليات نظامي در وردون كشته شد كه در آن زمان چندين سال از مرگ همسر اولش مي گذشت.

طي سه سال هر دو دختر او هنگام وضع حمل از دنيا رفتند.

در سال 1944 آخرين پسر او كه مظنون به شركت در نقشه اي براي قتل هيتلر بود، توسط نازيها اعدام شد.

پلانك در سال 1947 در سن 89 سالگي در آلمان از دنيا رفت.

آلبرت انيشتين وقتي از مرگ يكي از قهرمانان علمي اش خبردار شد، نامه اي به بيوه پلانك نوشت و در آن از خاطرات كار با مردي گفت كه نگاهش به حقايق جاوداني بود. اما در عين حال فعالانه درگير همه آن چيزهايي بود كه به پيشرفت مربوط است.