پلانک و مکانیک کوانتومی




مردی که فصلی را در دنیای فیزیک گشود.


در یکی از روزهای زمستان سال 1900 میلادی در شهر برلین یک استاد 42 ساله دانشگاه پسر کوچکش را برای پیاده روی بیرون برده بود. در طول راه او رازی را برای فرزندش آشکار کرد (امروز چیزهایی به ذهن من رسیدند که به اندازه افکاری که به ذهن اسحاق نیوتن خطور کردند تحول برانگیز و بزرگند). آن استاد کسی نبود جز ماکس پلانک و تنها چند ساعت پیش از آن او بینشی نسبت به ماهیت واقعیت یافته بود که فیزیک کلاسیک را از هم می‌پاشید و نحوه تفکر در دنیای نوین را تغییر می‌داد. این عقاید از طریق عاملی پیش پا افتاده به ذهن پلانک خطور کرده بودند همانند بسیاری از فیزیکدانان دیگر.

در یک قرن پیش پلانک روی مسائلی در ارتباط با ویژگیهای اساسی حرارت کار می‌کرد. هنگامی که او در تلاش بود تا ماهیت گرما و نور برخاسته از یک جسم ساده گرم و درخشان (جسم سیاه) را دریابد، متوجه شد که ناگزیر است عقیده‌ای به ظاهر مسخره را بپذیرد. اینکه انرژی تابشی برخاسته از اجسام نه به صورت پیوسته بلکه در بسته‌هایی مجزا به اطراف پراکنده می‌شود. پلانک هر یک از این بسته‌ها را یک "کوانتوم" نامید، که واژه‌ای برگرفته از لاتین و به معنای "چه مقدار" است و در جمع "کوانتا" خوانده می‌شود و رابطه‌ای را روی کاغذ آورد که انرژی آنها را به فرکانس ربط می‌داد. با این کار او پدر نظریه مکانیک کوانتومی شد. این نظریه شامل قوانینی بود که بر این بسته‌های انرژی حاکم بودند و البته به زودی مشخص شد که دامنه نفوذ آنها بسیار فراتر از همین بسته‌هاست.



مکانیک کوانتومی

امروزه می‌دانیم که نظریه مکانیک کوانتومی حاکم بر تمامی مسائل است که در عالم وجود دارند. از کوچکترین ذرات زیر اتمی گرفته تا نیروهای فضا زمان. این نظریه توضیح می‌دهد که:



  • ریز تراشه‌ها چگونه کار می‌کنند؟
  • چرا گچ سفید است؟
  • اتمها چگونه انرژی هسته‌ای خود را آزاد می‌کنند؟

    نظریه مکانیک کوانتومی شالوده کل صنعت الکترونیک است و در عین حال ممکن است منشأ عالم (انفجار بزرگ) را نیز توضیح دهد. پلانک آنقدر زنده ماند تا ببیند که کوانتای او چه گستره وسیعی از پدیده‌ها را توضیح می‌دهند، گستره‌ای که هنوز هم انتهایی بر آن متصور نیست، اما او همچنان یک "انقلابی میل" باقی ماند. پلانک سالها در جستجوی راههایی برای رهایی از کوانتومها وقت صرف کرد. برای او مایه شرمساری بود که سبب شهرتش دنبال مفهومی باشد که خود او به سختی آن را باور داشت. اما در نهایت اکتشافات بنیاد افکن پلانک بیش از آن که ناشی از استعدادهای علمی باشد، از صداقت خلل ناپذیر او برخاسته بود.

    پلانک با اینکه باورهای خودش را واژگون شده و ادراکش از واقعیت را دیگر گونه می‌دید، سرانجام آنچه را که معادلاتش به او می‌گفتند، پذیرفت. او به یکی از همکاران فیزیکدانش پس از اینکه ستیز برای احتراز از مفاهیم نظریه مکانیک کوانتومی را وانهاده بود، این طور گفته بود: "این کار هیچ فایده‌ای ندارد، ما مجبوریم با نظریه مکانیک کوانتومی زندگی کنیم."


کشفی که به یک انقلاب منجر شد.

در ادامه مطالعه جسم سیاه ، در عرض چند ساعت پلانک رابطه‌ای را یافت که به نظر می‌رسید قادر به انجام چنین کاری است. او دریافت که طول موج تابش هر مقدار که باشد، پاسخ صحیح را بدست می‌دهد. سایر دانشمندان به سرعت کشف او را به عنوان پیشرفتی کلیدی مورد تحسین قرار دادند، اما برای پلانک تنها این کافی نبود او می‌خواست بداند که چرا رابطه‌اش کار می‌کند؟ در جستجوی پاسخی برای این پرسش او در ذهن خود مجسم کرد که جسم سیاه از نوسانگرهای بسیار کوچکی ساخته شده است که هر یک از آنها تابشهای الکترومغناطیسی از خود گسیل می‌کنند، این گامی بسیار اساسی بود که پلانک برداشت. در آن زمان فیزیکدانان اندکی آنقدر شهامت داشتند که به تشکیل یافتن ماده از اتمها معتقد باشند. تشکیل شدن انرژی از اجزا کوچک که دیگر جایی برای خود داشت. با این حال به نظر می‌رسید که این نگرش کار آمد است.

با استفاده از نظریه الکترومغناطیسی پلانک دریافت که مدلی که او به این ترتیب از جسم سیاه ساخته است، بخشی از رابطه ریاضی انرژی ساطع شده از جسم سیاه را بدست می‌دهد (محاسبه انرژی تابشی جسم سیاه). تمام آنچه که می‌ماند، تبدیل کردن این رابطه به شکل رابطه‌ای بود که پلانک در آن عصر یکشنبه سرهم کرده بود. اینجا بود که پلانک کشف تاریخی‌اش را انجام داد.




کشف تاریخی پلانک

پلانک دریافت که برای دستیابی به هماهنگی لازم با رابطه یافته شده ، باید فرض را بر این بگذارد که نوسانگرهای کوچک نمی‌توانند تحت هر فرکانسی که دلشان خواست نوسان کنند. برای فیزیکدانی که با هزاران سال تحقیق و پژوهش در مورد نوسان اشباع شده بود، این کار ارتداد محض بود. حتی یونانیان باستان هم می‌دانستند که سیمهای کشیده شده را می‌توان تحت هر فرکانسی به نوسان در آورد. حتی اگر نتیجه کار چندان هم موسیقی یایی نباشد.

با این وجود ، برای اینکه رابطه پلانک بتواند کار آمد باشد، او می‌بایست این را می‌پذیرفت که نوسانگرهای کوچک در جسم سیاه همانند یک زه ویولن هستند که می‌توانند دو نت موسیقی متوالی را تولید کند، اما قادر به تولید هیچ صدایی بین آن دو نیست. پلانک تلاش کرد تا از یافته عجیب خودش سر در آورد. اما در دانش شناخته شده فیزیک در آن روز چیزی وجود نداشت که بتواند به او کمک کند. در آنچه که او بعدها آن را "عملی از روی ناچاری" نامید، پلانک پذیرفت که انرژی تابش شده در واحدهای بسته بندی شده‌ای که او آنها را کوانتا نامیده ، گسیل می‌شود و دلیل او نیز چیزی بیش از آن نبود که رابطه حاصل از این رویکرد کار آمد است و به پاسخهای درست منتهی می‌شود. در عین حال پلانک احساس می‌کرد که کشفی بزرگ را به انجام رسانده ، همان کشفی که هنگام قدم زدن در آن روز زمستانی برای پسرش از آن صحبت می‌کرد.

یکی از منافع جنبی کشف او رابطه ساده‌ای بود که مقدار انرژی موجود در این بسته‌ها را به طول موج آنها ربط می‌داد. هر چه طول موج کوتاهتر باشد انرژی بیشتر خواهد بود. ارتباط این دو متغییر را کمیتی که با h نشان داده می‌شد، برقرار می‌کرد. چیزی که در حال حاضر ثابت پلانک خوانده می‌شود. هم اکنون مشخص شده است که این ثابت همراه با سرعت نور C و ثابت گرانش نیوتن از لحاظ کیهان شناسی اهمیت بسیار زیادی دارد.


پلانک به قله دانش صعود می‌کند.

هم اکنون فیزیک کوانتومی به عنوان موفق‌ترین نظریه علمی شناخته می‌شود. زیرا مبدع این نظریه پلانک افتخارات بسیاری از جمله جایزه نوبل فیزیک 1918 را از آن خود کرد. در آن هنگام پلانک 60 ساله باقی توان خود را بر گرد آوردن بهترین فیزیکدانان دوران از جمله آلبرت انیشتین در برلین ، برای کار روی نظریه مکانیک کوانتومی متمرکز کرده بود. این کار ارزشمند را پلانک در حالی انجام می‌داد که در زندگی شخصی خود با رویدادهای غم انگیز هولناکی رو در رو بود.

حوادث ناگوار پلانک


  • در سال 1916 پسر او ، همان کسی که کشفش را اولین بار برای او بازگو کرده بود، در یک عملیات نظامی در وردون کشته شد که در آن زمان چندین سال از مرگ همسر اولش می‌گذشت.
  • طی سه سال هر دو دختر او هنگام وضع حمل از دنیا رفتند.
  • در سال 1944 آخرین پسر او که مظنون به شرکت در نقشه‌ای برای قتل هیتلر بود، توسط نازیها اعدام شد.
  • پلانک در سال 1947 در سن 89 سالگی در آلمان از دنیا رفت.
  • آلبرت انیشتین وقتی از مرگ یکی از قهرمانان علمی اش خبردار شد، نامه‌ای به بیوه پلانک نوشت و در آن از خاطرات کار با مردی گفت که نگاهش به حقایق جاودانی بود. اما در عین حال فعالانه درگیر همه آن چیزهایی بود که به پیشرفت مربوط است.




منبع : دانشنامه رشد