صد سال پیش فیزیک کوانتومی پای به جهان گذاشت برگردان علی‌محمد طباطبایی

بخش اول: تاریخ علم کوانتوم در تازه‌ترین شماره هفته‌نامه اشپیگل: یک صد سال پیش از این، گروهی از جوانان بیست‌وچندساله، جهان‌بینی علمی را به لرزه درآوردند. آن‌ها نشان دادند که در دنیای اتم‌ها، دیگر نمی‌توان به عقل سلیم تکیه کرد. در عین حال، آن‌ها پایه‌ و اساس ساخت بمب اتم را نیز بنیان گذاشتند.

ورنر هایزنبرگ هنگامی که راز طبیعت را کشف کرد تنها ۲۳ سال سن داشت. بعدها او بر این باور بود که هنوز می‌تواند لحظه‌ی این کشف بزرگ را به‌وضوح به یاد بیاورد. او در زندگی‌نامه‌اش نوشت: «در آن لحظه‌ی اول، به‌شدت ترسیده بودم.» ظاهراً احساس سرگیجه به او دست داد، و در برابرش «ژرفایی با زیبایی درونی عجیب» گشوده شد. اکنون از آن لحظه صد سال گذشته است.

هایزنبرگ که تازه توانسته بود به مقام استادیاری دست یابد، از تب یونجه (آلرژی به گرده‌ها) رنج می‌برد و به همین خاطر به جزیره‌ی کم‌گرده‌ی هِلگولاند(Helgoland) پناه برد. او در آن‌جا، تنها و دور از مزاحمت، می‌توانست افکارش را سر و سامان دهد. هدفش این بود که اسرار ذرات ریز ماده، یعنی اتم‌ها را کشف کند. تا پاسی از شب گذشته، بر روی معادلات کار می‌کرد. سپس، نزدیک به ساعت سه بامداد، نتیجه در برابرش پدیدار شد: او «از سطح پدیده‌های اتمی فراتر رفت» و ساختارهایی را دید که «طبیعت در آن اعماق برای او گسترده بود.» این لحظه، زادروز مکانیک کوانتومی بود. و هشت سال بعد، هایزنبرگ برای آن جایزه نوبل در یافت کرد.

بارها این ماجرا نقل شده و برای بهتر جلوه دادن دستکاریشده است. آن لحظه‌ای که طبیعت در جزیره‌ی دریای شمالی خود را بر هایزنبرگ جوان آشکار کرد، به اسطوره‌ای بدل شده که روایت می‌کند انسان چگونه فرمانروایی قلمرو اتم‌ها را به دست گرفت. هایزنبرگ خود گفته است که در شور و هیجان کشف خود، خانه را ترک کرده و در سپیده‌دم، بر فراز صخره‌ای که از دل دریا بیرون آمده بود، بالا رفته تا طلوع خورشید را انتظار بکشد.

اما همان‌طور که درباره‌ی بسیاری از اسطوره‌ها صدق می‌کند، داستان هایزنبرگ نیز از نظر دقت و صحت تاریخی کاملاً درست نیست. تاریخ‌نگاران فیزیک در مؤسسه‌ی تاریخ علم ماکس‌ پلانک در برلین، در سال ۲۰۱۷ تمام منابع را بررسی کردند. یافته‌ی آن‌ها این بود: به احتمال زیاد، آن لحظه‌ی «یافتم، یافتم» در هِلگولاند به آن شکل رخ نداده است. بلکه هایزنبرگ، در ذهن خود، یک روند طولانی شناخت را به رویدادی که فقط در یک شب به ظهور رسیده خلاصه کرده است.

واقعیت پیچیده‌تر از آن است که روایت روشنگری در هِلگولاند به ما القا می‌کند. و شاید حتی شگفت‌انگیزتر نیز باشد. مکانیک کوانتومی، دستاورد ذهنی یک فرد واحد نیست. بلکه پدران زیادی دارد. صد سال پیش، این نظریه به‌آرامی شکل گرفت، درحالی‌که ایده‌ها بین گوتینگن، کپنهاگ، کمبریج، برلین، لیدن و پاریس رفت‌وآمد می‌کردند.مکانیک کوانتومی، برخلاف نظریه ها‌ی علمی پیش از خود، نتیجه‌ی همکاری جمعی است.از این همکاری، بنایی ذهنی پدید آمد که امسال، صدمین سالگرد آن با نمایشگاه‌ها، سخنرانی‌ها و همایش‌های گوناگون در سراسر جهان گرامی داشته می‌شود. پیشگامان فیزیک نوین مجبور شدند بپذیرند که در قلمرو اتم‌ها، تصویرهای قابل فهم کارایی خود را از دست می‌دهند. در مکانیک کوانتومی، واقعیت به احتمال فروکاسته می‌شود. به‌نظر می‌رسد که تصادف، در قوانین طبیعت تنیده شده است. علیت (رابطه‌ی علت و معلول) از اعتبار ساقط می‌شود. دیگر این قاعده صادق نیست که هر اتفاقی علتی دارد. در حالی که در دنیای کلان (ماکرو)، حتمیت (جبرآئینی) سرد آیزاک نیوتن حکم‌فرماست، در دنیای ریز (میکرو) اتم‌ها، گریزگاهی برای امر نامعین وجود دارد.

این‌ها شناخت‌هایی هستند که درکشان دشوار است و با این‌حال، تاریخ جهان را دگرگون کرده‌اند. بحث‌های فیزیک‌دانان آن دوران ممکن است بلندپروازانه، فلسفی، و گاه حتی از واقعیت زندگی روزمره به دور به نظر رسیده باشند. اما آن‌چه این پژوهشگران دنبال می‌کردند، بسیار فراتر از نوعی بازی با مرواریدهای شیشه‌ای بود. تنها طی حدود ۲۰ سال، از دل فرمول‌های آن‌ها هم بمب اتمی بیرون آمد و هم ترانزیستور.

البته معماران فیزیک نوین خود این را پیش‌بینی نمی‌کردند. آن‌ها همگی از سیاست هیچ سر در  نمی آوردند، و در دیگر زمینه‌ها نیز اشتراکات زیادی داشتند: همگی مرد، بسیار جوان، و هرکدام به‌نوعی نابغه. از همین رو، مکانیک کوانتومی را «فیزیک پسران» نیز نامیده‌اند. از یک سو، ورنر هایزنبرگ بود: اهل موسیقی، علاقه‌مند به افلاطون، و دوستدار کوه‌پیمایی. زندگینامه‌نویس او، دیوید کَسیدی (David Cassidy)، وی را فردی بااعتمادبه‌نفس و جاه‌طلب توصیف می‌کند. چه در ریاضی، چه در موسیقی، و حتی در پینگ‌پنگ، هایزنبرگ همیشه با «نیروی مهارناپذیری برای ممتاز بودن در هر کاری که انجام می داد» پیش می‌رفت. و در سوی دیگر، همکاری که هایزنبرگ با او به نوعی درگیر مبارزه و بحث بود، یعنی ولفگانگ پائولی قرار داشت. کسی که در دوران تکوین مکانیک کوانتومی گفت‌وگوهای نزدیکی با هایزنبرگ داشت. پائولی حتی بیشتر از هایزنبرگ به‌عنوان نابغه‌ای ریاضی شناخته می‌شد. اما برخلاف هایزنبرگ، اهل خوش‌گذرانی بود، دیر از خواب برمی‌خواست، و معمولاً به‌دلیل شب‌نشینی در میخانه‌ها، کلاس‌ها و سمینارهای صبحگاهی را از دست می‌داد.

پائولی بذله‌گو، تندوتیز و گاه طعنه‌زن بود. گفته می شود که او به هایزنبرگ که یک سال و نیم از او کوچک‌تر بود، چنین طعنه زده است: «چی؟ انقدر جوون و هنوز این‌قدر گمنام؟» بعدها، وقتی که نوابغ جوان در حال تکمیل مکانیک کوانتومی بودند، پائولی به‌خاطر نقدهای تند و در عین حال عمیقش، شهرتی ترسناک داشت.

عجیب‌ترین چهره‌ی این «پسران کوانتومی» بی‌تردید بریتانیایی‌ای به نام پل دیراک بود. فردی منزوی، کم‌حرف و درون‌گرا که معمولاً مکالماتش را با «بله» یا «نه» پاسخ می‌داد. امروز احتمالاً او را در طیف اوتیسم دسته‌بندی می‌کردند. اما در ریاضیات، او خانه‌ی خود را یافته بود، چنان‌که کمتر کسی به پایش می‌رسید.

اگر پائولی را نابغه بنامیم، دیگر برای توصیف دیراک واژه مناسبی پیدا نمی کنیم. حتی هایزنبرگ نیز مجبور شد اعتراف کند که از نظر ریاضی به پای این بریتانیایی که هشت ماه از او جوان‌تر بود نمی‌رسید. دیراک همان‌گونه برای زیبایی فرمول‌ها شور و شوق داشت که دیگران برای نقاشی یا سمفونی. تا به امروز، بسیاری از فیزیک‌دانان، معادله‌ی مشهور دیراک را که مکانیک کوانتومی را به‌نوعی به اوج رساند، زیباترین فرمول تاریخ فیزیک می‌دانند.

این جوانان با سرعتی نفس‌گیر، قوانین طبیعت را زیرورو کردند. الکساندر بلوم، تاریخ‌نگار فیزیک از دانشگاه لودویگ-ماکسیمیلیان مونیخ می‌گوید: «طی دو سال، آن‌ها فیزیک را به کلی وارونه کردند.» به گفته‌ی بلوم، مجموعه‌ای از شرایط گوناگون دست‌به‌دست هم دادند تا این انفجار خلاقیت علمی ممکن شود. اوایل دهه‌ی ۱۹۲۰ زمانی بود که بسیاری از معماهای بنیادی طبیعت آماده‌ی حل شدن بودند: آزمایشگران پدیده‌های فراوانی گرد آورده بودند که با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نبودند. اجزای پازل فراهم بود. تئوری‌پردازان فقط باید آن‌ها را کنار هم می‌چیدند. از نظر بلوم، نکته‌ی مهم دیگر این بود که جامعه‌ی پژوهشگران کوانتوم در آن زمان، در هسته‌ی خود، متشکل از تنها ۳۰ یا ۴۰ نفر بود. آن‌ها در فضایی تقریباً خانوادگی با یکدیگر در ارتباط بودند.

الکساندر بلوم می‌گوید «همه یکدیگر را می‌شناختند». در این گروه، «تراکم شگفت‌انگیزی از نوابغ» به وجود آمده بود، تقریباً همگی در دهه‌ی بیست زندگی خود بودند، سنی که «احتمالاً بهترین دوران برای ارائه‌ی مشارکت‌های نابغه‌وار است». حتی سالخورده‌ترها، کسانی که در شکل‌گیری مکانیک کوانتومی نقش قابلگی ایفا کردند، واقعاً پیر به شمار نمی‌آمدند: نیلز بور، که مؤسسه‌ی فیزیک نظری‌اش در کپنهاگ خیلی زود به محفل دیدار پیشگامان جوان کوانتوم بدل شد، در سال ۱۹۲۵ تنها ۴۰ سال داشت. آلبرت اینشتین، که با دقت پیشرفت‌های آنان را دنبال می‌کرد، تنها شش سال از او بزرگ‌تر بود.

اینشتین و بور هر دو پیش‌تر برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شده بودند و هر دو در تلاش برای پاسخ‌دادن به پرسش‌های کوانتومی درگیر بودند.: هر دو قطعات مهمی را برای حل این معما فراهم کردند. کشفیاتی که به خاطرشان در استکهلم مورد تجلیل قرار گرفته بودند، به نقطه‌ی آغازینی برای نسل بعدی فیزیک‌دانان تبدیل شد. اینشتین در سال ۱۹۲۱ جایزه‌ی نوبل را برای توضیح اثر موسوم به «اثر فوتوالکتریک» دریافت کرد. او دریافته بود که رفتار جذب نور بر سطح فلزات فقط زمانی قابل فهم است که نور را متشکل از بسته‌های مجزای انرژی در نظر بگیریم. در حالی که پیش‌تر فیزیک‌دانان نور را به صورت موج درک می‌کردند، اینشتین نشان داد که در شرایط خاص، نور مانند ذره رفتار می‌کند..

بور در سال ۱۹۲۲ به استکهلم دعوت شد و بابت مدل اتمی‌اش مورد تجلیل قرار گرفت. او تصویری ارائه داده بود از این‌که اتم در درون خود چگونه می‌تواند به نظر برسد. طبق این مدل، الکترون‌ها در مدارهای ثابت و از پیش تعیین‌شده‌ای به دور هسته می‌چرخند. چنین اتمی تنها در فرکانس‌هایی نور ساطع می‌کند که دقیقاً معادل جهش الکترون‌ها از یک مدار به مدار دیگر است. با این مدل، بور توانست پدیده‌های زیادی از دنیای اتمی را توضیح دهد. با این حال، ناگزیر بود مجموعه‌ای از فرضیات را مطرح کند، بدون آن‌که بتواند آن‌ها را توضیح دهد.

مثلاً نمی‌دانست چرا طبیعت دقیقاً این مدارها را برای الکترون‌ها معین کرده است. بارها این دو غول دنیای فیزیک با یکدیگر دیدار کردند تا بر سر رازهای دنیای کوانتوم بحث کنند. بور بعدها به یاد آورد که یک‌بار حتی این دیدار به نقطه‌ی اوج خود در تراموای شهر کپنهاگ رسید. بحث چنان داغ شده بود که بارها از ایستگاه خود جا ماندند و مجبور شدند مدام رفت‌وبرگشت کنند.

اینشتین و بور یکدیگر را دوست داشتند، شاید دقیقاً به‌خاطر این‌که به‌ندرت با هم هم‌عقیده بودند. بور علیه فرضیه‌ی کوانتای نوری اینشتین استدلال می‌کرد و اینشتین به جهش‌های کوانتومی بور شک داشت. آیا ممکن است نور هم‌زمان هم موج و هم ذره باشد؟ چه نیروی مرموزی الکترون‌ها را مجبور به دنبال‌کردن آن مدارها می‌کند؟ این دو برنده‌ی نوبل، همچون دو قطب مخالف یک دیگر بودند و فیزیک نوین در تنش میان آن‌ها پدید آمد.

پیش از جهش بزرگ در سال ۱۹۲۵، فیزیک‌دانان با بی یک نظمی و آشوب از خطوط طیفی روبه‌رو بودند—نوری که از اتم‌ها ساطع می‌شد. گویی اتم‌ها به زبانی سخن می‌گفتند که هیچ‌کس نمی‌توانست آن را بفهمد. تنها چیزی که روشن بود این بود که این معما را نمی‌توان با ابزارهای فیزیک سنتی گشود. پائولی شرایط را این‌گونه توصیف کرده بود: «ای کاش کمدین سینما بودم و هرگز چیزی از فیزیک نمی‌دانستم.»

اینشتین می‌اندیشید، بور در تفکر عمیق فرو می‌رفت، و «پسرها» دست‌به‌کار می‌شدند. بی‌هراس، با فرمول‌ها بازی می‌کردند، تا این‌که در تابستان ۱۹۲۵ سرانجام مه کنار رفت. هایزنبرگ تصمیم گرفته بود از هر تلاشی برای توصیف مدارهای الکترونی صرف‌نظر کند. چون در نهایت، هیچ‌کس نمی‌تواند این مدارها را ببیند.

از این رو، هایزنبرگ می‌خواست نظریه‌اش صرفاً محدود به آن چیزی باشد که می‌توان مشاهده کرد: نوری که الکترون‌ها هنگام جهش از یک حالت به حالت دیگر ساطع می‌کنند. او شدت‌ها و فرکانس‌های این نورها را در جدول‌هایی مرتب کرد و سپس یاد گرفت با این جدول‌ها محاسبه کند. ناگهان احساس کرد که این اعداد در حال پیوستن به یک کل هستند، به یک نظریه‌ی منسجم. او همین را مدتی بعد چنین توصیف کرد که گویی به «ژرفایی با زیبایی درونی عجیب» نگریسته است.

پائولی جدول‌های جبری هایزنبرگ را با نظرات خود آراست. همکاران در گوتینگن کمک کردند تا ایده در قالبی ریاضی و منطقی صورت‌بندی شود. در همین زمان، پل دیراک در کمبریج به قوانین مشابهی دست یافته بود، با این تفاوت که او، با الهام از حس زیبایی‌شناسی قوی‌اش، آن‌ها را حتی با ظرافت بیشتری استخراج کرده بود. در پایان سال ۱۹۲۵، پایه‌های مکانیک کوانتومی نوین بنا نهاده شده بود. ولفگانگ پائولی با کمک فرمول‌های هایزنبرگ توانست طیف نوری هیدروژن را توضیح دهد: سطوح انرژی‌ای که او به دست آورد، دقیقاً با خطوط طیفی‌ای منطبق بودند که آزمایش‌گران اندازه‌گیری کرده بودند.

با این‌حال، این نظریه با شور و شوق عمومی روبه‌رو نشد. اینشتین با نارضایتی گفت: «هایزنبرگ یک تخم کوانتومی بزرگ گذاشته. در گوتینگن به آن باور دارند. من نه.» ریاضیات هایزنبرگ و دیراک اگرچه طیف اتم‌ها را به‌درستی بازتولید می‌کرد، اما به طرز عجیبی نامفهوم بود که اصلاً به چه معناست. اگر الکترون‌ها درون اتم در مدار نمی‌گردند، پس چه می‌کنند؟ و آن همه اپراتورها و ماتریس‌هایی که فیزیک‌دانان جوان با آن‌ها کار می‌کردند، در اصل چه چیزی را بازنمایی می‌کردند؟

ادامه دارد…

* کلیه تصاویر این مقاله توسط هوش مصنوعی و برای همین مطلب ساخته شده است