روزنامه اعتماد
1396/12/17

معرفي و نقد كتاب بور و نظريه كوانتومي

مهرا    سپينود
 
درباره تاثير نيلز بور بر علم فيزيك، سخن‌ها گفته‌اند. برخي نظير ورنر هايزنبرگ، دانشمند بزرگ فيزيك نظري، گفته‌اند تاثير بور بر فيزيك و فيزيكدانان قرن بيستم حتي بيشتر از تاثير اينشتين بوده است. اما چرا نظريه كوانتومي در علم فيزيك مشكل‌آفرين شد؟ چون اين نظريه باوركردني نيست و مي‌گويد ذرات در سطحِ زيراتمي از قوانين فيزيك كلاسيك پيروي نمي‌كنند. يعني چيزهايي مانند الكترون‌ها مي‌توانند همزمان به دو صورت متفاوت وجود داشته باشند. به صورت ماده يا به صورت انرژي؛ بسته به اينكه چگونه اندازه‌گيري شوند. اينكه يك پديده يا يك شيء همزمان به دو صورت وجود داشته باشد، ناقض «معرفت عمومي» است. اما نيلز بور و شاگردانش باكي از احكام معرفت عمومي نداشتند؛ چراكه اينشتين گفته بود «معرفت عمومي انباشتِ پيشداوري‌هايي است كه ما تا 18 سالگي كسب كرده‌ايم.»پل‌استراترن در كتاب «بور و نظريه كوانتومي» كوشيده است اين نظريه را با بررسي زندگي نيلز بور، به زباني حتي‌المقدور ساده توضيح دهد.
فوتباليستي كه فيزيكدان شد
نيلز بور در 1885 در كپنهاگ دانمارك در خانواده‌اي سرشناس و مرفه به دنيا آمد. پدرش، كريستين بور، فيزيولوژيستي بود كه بابت كار علمي‌اش درباره دستگاه تنفسي، تا آستانه كسب جايزه نوبل پيش رفت. كريستين بور شيفته انگلستان بود و وقتي كه انگليسي‌ها بازي فوتبال را ابداع كردند، نقش زيادي در پايه‌ريزي و راه‌اندازي فوتبال در دانمارك ايفا كرد. نيلز بور در دوران نوجواني شبيه نابغه‌ها نبود. به تبع پدرش به فوتبال علاقه پيدا كرد و به همراه برادر كوچك‌ترش، هارالد، در تيم فوتبال دانشگاه‌شان، كه يكي از قوي‌ترين تيم‌هاي دانمارك بود و هنوز هم در ليگ دوم دانمارك مي‌درخشد، بازي مي‌كرد. او به دليل جثه بزرگش دروازه‌بان بود و برادرش در خط مياني توپ مي‌زد. هارالد حتي در بازي‌هاي المپيك 1904 هم در تيم ملي دانمارك بازي كرد. اما نيلز بور عشق ديگري هم داشت: آزمايشگاه. او كارهاي تجربي در آزمايشگاه را دوست داشت و كم‌كم از دروازه فوتبال بيرون آمد و معنا و لذت زندگي را در فعاليت علمي در آزمايشگاه پيدا كرد. نظريه كوانتومي درباره سازگاري دو پديده متضاد به ظاهر ناسازگار است. پل استراترن احتمال مي‌دهد كه نطفه اين نظريه، در جريان مهماني‌هاي شبانه پدر نيلز بور با دوستان دانشمندش، در ذهن نيلز جوان شكل گرفته باشد. وقتي كه دانشمندان و متفكران به خانه كريستين بور مي‌آمدند، پس از صرف شام بحث‌هاي گوناگوني بين آنان درمي‌گرفت و نيلز و هارالد فقط مجاز بودند كه در مقام «شنونده خاموش» در آن مباحث حضور داشته باشند. از آنجايي كه خاموشي مقدمه تفكر است، نيلز جوان با غرق شدن در مباحث آن مهماني‌هاي شبانه، ذهنش درگير اين موضوع شد كه چطور يك واژه همزمان مي‌تواند معاني ناسازگاري داشته باشد و اساسا آغشته باشد به ابهام. او كوشيد با استفاده از رياضيات، ابهام واژه‌ها را از بين ببرد ولي عاقبت ناچار شد بپذيرد چنين ابهام‌هايي، ذاتي زبان هستند. يعني به تدريج درك كرد كه تفسيرهاي ناسازگار مي‌توانند همزمان وجود داشته باشند. استراترن معتقد است درپيچيدن بور با معضل «ابهام» و تسليم شدنش در برابر «امكان تفسيرهاي ناسازگار اما مقبول در زمان واحد»، شالوده نظريه كوانتومي را در ناخودآگاه ذهن نيلز بور پي‌ريزي كرد.
بازگشت تفكر به علم
استراترن تولد دانشمنداني مثل نيلز بور را محصول كاهش اهميت «تجربه» در دنياي علم مي‌داند. مطابق اين تحليل، از زمان گاليله علم به اين راي مايل شده بود كه حقيقت را با آزمايش مي‌توان كشف كرد نه صرفا با تفكر. اما پس از 200 سال تاخت و تاز «آزمايش» در دنياي علم، دانشمندان به تدريج نقش بيشتري براي «تفكر» قائل شدند. در 1905، اينشتين نظريه نسبيت خاص را ارايه كرد كه فقط محصول تفكر بود نه آزمايش. يعني اينشتين براي رسيدن به اين نظريه، از رياضيات استفاده كرد نه از آزمايش. استراترن راي هيوم در زير سوال بردن رابطه علت و معلول و نيز فلسفه كانت را عواملي موثر در افزايش اهميت «تفكر» در كار و بار دانشمندان مي‌داند. در واقع او معتقد است كه از اواخر قرن نوزدهم، علم با فلسفه محك زده مي‌شد و اين معنايي نداشت جز حمله علم به خودش. در همين راستا، وقتي كه بور در 1909 كار روي رساله دكتراي خودش را آغاز كرد، درگير پروژه‌اي كاملاً تئوريك و به كلي غير تجربي شد. عنوان پايان‌نامه بور «تحقيقي پيرامون نظريه فلزات» بود. سه سال قبل از پايان قرن نوزدهم، جي. جي تامسون نخستين ذره زيراتمي را كشف كرده بود: الكترون. جان كلام بور در رساله دكتري‌اش اين بود كه در سطح زيراتمي، فرضيات فيزيك كلاسيك معتبر نيستند و براي توضيح آنچه درون اتم روي مي‌دهد، ظاهرا نوع به كلي متفاوتي از فيزيك لازم است. اما اين حرف او در آن زمان دقيقا مثل اين بود كه كسي بگويد 2+2 مساوي با 4 نيست. در 1911 بور با رادرفورد آشنا شد و همكاري با اين دانشمند برجسته و خوش‌مشرب را آغاز كرد. رادرفورد در تحقيقاتش متوجه شده بود تنها راه بررسي كردن چيزي به كوچكي اتم، بمباران كردن آن با چيزي باز هم كوچك‌تر يعني يك ذره زيراتمي است. او پس از آزمايش‌هاي متعدد، نهايتا به اين نتيجه رسيده بود كه در مركز اتم يك هسته ريز و به غايت چگال وجود دارد و اين هسته مثبت را تعدادي الكترون منفي احاطه كرده‌اند و تحت تاثير جاذبه هسته در مدارهاي مشخص به دورش مي‌چرخند. با اينكه بسياري از فيزيكدانان مخالف تبيين رادرفورد از ساختار اتم بودند (زيرا هسته‌اي كه صرفا از ذرات مثبت تشكيل شده، قاعدتا بايد در اثر دافعه اين ذرات متلاشي مي‌شد) ولي بور آن را پذيرفت و تحقيقاتش را بر همان اساس ادامه داد.
كوانتوم چيست؟
در يكي از صبح‌هاي سرد دسامبر 1900 ماكس پلانك، استاد فيزيك دانشگاه برلين، هنگامي كه مشغول پياده‌روي در جنگل‌هاي برلين بود به پسرش گفت: «امروز موفق به كشفي شدم كه به اهميت كشف نيوتون است. من نخستين گام را فراتر از فيزيك كلاسيك برداشته‌ام.» پلانك كشف كرده بود كه نور به هر دو صورت امواج و ذرات رفتار مي‌كند و اين موج-ذرات را «كوانتوم‌ها» ناميد. ايده پلانك به قدري انقلابي بود كه هيچ كس آن را باور نمي‌كرد. اما آلبرت اينشتين در سال 1905 نظريه كوانتومي پلانك را تاييد كرد. در 1905 معلوم شد كه برخورد نور فرابنفش با فلزات خاصي منجر به گسيل الكترون‌ها مي‌شود و اين الكترون‌ها مطابق قوانين فيزيك كلاسيك رفتار نمي‌كنند. يعني ميزان گسيل آنها بستگي به بسامد نور بمباران‌كننده داشت نه شدت آن. هر چه بسامد بالاتر بود، الكترون‌هاي بيشتري از جا كنده مي‌شدند. اگر نور به عنوان چيزي متشكل از كوانتوم‌ها در نظر گرفته مي‌شد، اين فرآيند قابل توجيه بود. چنانكه پيداست، اين ايده كه دو تفسير يا تلقي متضاد همزمان مي‌توانند درست باشند، در نظريه موجي-ذره‌اي بودن نور هم وجود داشت. و اين پلوراليسم ذاتي نظريه كوانتوم شده بود. توضيح اينشتين درباره برخورد نور فرابنفش با فلزات خاص تقريبا در همان حوزه‌اي بود كه بور در پايان‌نامه‌اش درباره نظريه الكتروني فلزات به آن پرداخته بود. بور نيز به اين نتيجه رسيده بود كه ذرات زيراتمي از قوانين فيزيك كلاسيك پيروي نمي‌كنند اما نه او و نه ديگران نتوانسته بودند بفهمند كه چگونه همه اين موارد به مساله ساختار اتمي مربوط مي‌شوند. رادرفورد ساختار اتم را مثل ساختار منظومه شمسي مي‌دانست و بور در پي اثبات همين فرضيه بود. خود رادرفورد اين تز را موقت و بيش از حد تئوريك مي‌دانست ولي بور ول‌كن قضيه نبود!
تولد مكانيك كوانتوم
در 1912، بور مقاله نهايي‌اش را درباره ساختار اتم آماده كرد. درك مقاله بور براي دانشمندان هم بسيار دشوار بود چراكه او همچنان گرفتار زبان بود. يعني موقع نوشتن فراموش مي‌كرد زبان ابزاري است براي توصيف كار علمي‌اش؛ و چنان غرق خلاقيت زباني در مقام نوشتن مي‌شد كه زبانش از زبان علمي فاصله مي‌گرفت و خصلت ادبي و فلسفي پيدا مي‌كرد. بنابراين فقط آن دانشمنداني كه برخوردار از تمركز طولاني‌مدت و درك سريع مطلب بودند توانستند سخنراني بور را درك كنند. بور نظريه كوانتومي را بيانگر نحوه كار كردن اتم‌ها دانست. اما حرف او مصداق «مهملات» قلمداد شد. چگونه ممكن بود ماده بر چيزي به كلي ناپايدار استوار باشد؟ فون لاوئه، فيزيكدان آلماني، پس از سخنراني بور گفت: «اگر اين نظريه صحيح باشد، من از فيزيك دست مي‌كشم.» از نظر منتقدان، نظريه بور نه علمي بود نه منطقي؛ چراكه توصيف ساختار اتم با تلفيق فيزيك كلاسيك و نظريه كوانتومي (كه برآمده از مطالعات ماكس پلانك و رادرفورد و خود بور و ديگران بود)، كاري عبث بود؛ زيرا اصول فيزيك كلاسيك و اصول نظريه كوانتومي متناقض بودند. مثلا مطابق تصوير كوانتومي، خط‌هاي گسيل‌شده در يك طيف اتم هنگامي ايجاد مي‌شوند كه الكترون از يك مدار به مدار ديگر جهش كند (مدارهايي كه دور هسته مثبت اتم وجود دارند) و اگر الكترون در حالت ماناي خود به دور هسته بچرخد هيچ پرتوي گسيل نمي‌شود. اما مكانيك كلاسيك حكمش برعكس است. يعني مي‌گويد پرتو هنگامي ايجاد مي‌شود كه الكترون به دور هسته بچرخد. قاعدتا اين دو تصوير همزمان نمي‌توانند درست و واقعي باشند. بور دريافت كه هر جهش كوانتومي را مي‌توان با يك مدار متناظر در مكانيك كلاسيك متناسب ساخت. بنابراين اتم مي‌توانست همزمان كلاسيك و كوانتومي باشد. با اين دريافت، بور «اصل تطابق» را ارائه كرد كه بر اساس آن، در بسامدهاي پايين، قوانين نظريه كوانتومي و قوانين مكانيك كلاسيك يكسان مي‌شوند. شگفت‌انگيز بودن فيزيك كوانتومي، كه بور در حال بالا بردن بناي آن بود، بنايي كه ماكس پلانك پي‌ريزي‌اش كرده بود، نه فقط موجب تهديد فون لاوئه به رها كردن فيزيك شد، بلكه اينشتين را هم در برابر بور قرار داد. در اين جهان زيراتمي، نه منطق نفوذي داشت نه عليت جاري بود. همين باعث شد كه اينشتين در واكنش به علم غريب نوپديدِ «مكانيك كوانتومي»، بگويد: «خداوند براي اداره جهان تاس نمي‌ريزد.»
به پيش ‌اي سربازان مسيحي
نيلز بور در 1922 برنده جايزه نوبل شد و بهترين فيزيكدانان جوان جهان را جذب خود كرد. اكثر اين جوانان در زمان مطرح شدن نظريه كوانتومي اوليه ماكس كلان، هنوز به دنيا نيامده بودند. آنها به بور اقتدا كردند و در انستيتوي بور در كپنهاگ، به تدريج از نردبان دانش بالا رفتند و به بزرگ‌ترين فيزيكدانان قرن بيستم بدل شدند. هايزنبرگ يكي از اين غول‌هاي علمي بيرون آمده از زير شنل بور بود. به بور ايراد مي‌گرفتند كه «اصل تطابق»اش فقط موارد كم‌اهميت را توضيح مي‌دهد؛ اما او و شاگردانش به كارشان ادامه دادند و مكانيك كوانتوم را روز به روز فربه‌تر كردند. هايزنبرگ اصل عدم قطعيت را ارايه كرد و آخرين ميخ را به تابوت فيزيك كلاسيك كوبيد. او ابتدا معتقد بود فقط اندازه‌گيري مي‌تواند موجب قطعيت شود ولي ديري نپاييد كه فهميد در مكانيك كوانتوم حتي اندازه‌گيري نمي‌تواند موجب قطعيت همه‌جانبه شود. يعني الكترون‌ها به قدري ريز هستند كه هر نوع شيوه اندازه‌گيري بر رفتار آنها اثر خواهد گذاشت. اگر به روي الكترون نور بتابانيم، مي‌توانيم آن را ببينيم ولي همان نور موجب انحراف الكترون از مسيرش مي‌شود و بر سرعت و مكان آن اثر مي‌گذارد. بور توضيح داد كه «هر مشاهده‌اي درباره رفتار الكترون در اتم با تغييري در حالت اتم همراه خواهد بود.» اما اگر هيچ اقدامي براي اندازه‌گيري الكترون نكنيم، به هيچ‌وجه نمي‌توانيم آن را ببينيم و هيچ چيز درباره آن درنمي‌يابيم! استراترن در كتابش نكاتي خواندني درباره نقش شاگردان بور در پيشرفت مكانيك كوانتوم آورده است. بور زماني كه شاگرد رادرفورد بود و هر روز صبح در آزمايشگاه، او را مي‌ديد كه قدم‌رو مي‌رود و سرود «به پيش ‌اي سربازان مسيحي» را براي شاگردانش مي‌خواند، در پايان دهه 1920 به شاگردان كوشا و نابغه‌ خودش مفتخر بود و با مكاتبات علمي فراواني كه با آنها داشت، به رشد افكارشان و رفيع‌تر شدن بناي مكانيك كوانتوم كمك مي‌كرد. با اين حال خود بور هنوز در اوج خلاقيت قرار داشت. او در 1927 «اصل مكمل بودن» را ارايه كرد تا دوگانگي مكان/تكانه را در نظريه هايزنبرگ توجيه كند. مطابق اين اصل «شواهد به دست آمده تحت شرايط مختلف آزمايشگاهي نمي‌توانند در چارچوب يك تصوير منفرد فهم شوند بلكه بايد به منزله مكمل قلمداد شوند؛ به اين ترتيب تنها با در نظر گرفتن كل پديده‌ها مي‌توان اطلاعات قابل قبول درباره موضوع را به‌طور كامل تفسير كرد.» اين اصل مساله دوگانگي ذره/موج را نيز، در بحث از ماهيت نور، حل كرد. بر اساس اين اصل، اينكه چيزي مانند يك ذره يا موج رفتار كند فقط بستگي به اين دارد كه چه دستگاهي براي بررسي رفتار آن انتخاب كرده باشيم.
شكافت هسته‌اي چيست؟
بور هسته اتم را متشكل از گروهي از ذرات مي‌ديد كه در اثر نيروهاي كوتاه‌برد يكپارچه شده‌اند؛ بسيار شبيه به مولكول‌ها درريزقطره يك مايع. هنگامي كه يك ذره به اين هسته ريزقطره برخورد كند انرژي آن مي‌تواند به سرعت توسط ذراتي كه به هم برخورد مي‌كنند جذب شود و خود بخشي از ريزقطره مي‌شود. متناسب با آن، ريزقطره گرم مي‌شود و اين حالت براي مدتي طولاني ادامه خواهد يافت. هسته زماني فرومي‌پاشد كه انرژي افزايش‌يافته در حال افت و خيز سبب تراكم انرژي روي يك ذره شود و به آن امكان فرار دهد. شبيه تبخير در يك ريزقطره حرارت‌ديده. بنابراين هنگامي كه هسته سنگين و بزرگ باشد (مثل هسته اورانيوم)، فرار ذره سبب خواهد شد كه ريزقطره به دو ريزقطره هم‌اندازه تقسيم شود. اين فرآيند را شكافت هسته‌اي مي‌نامند. بور نخستين كسي بود كه شرح داد در شكافت هسته‌اي چه اتفاقي مي‌افتد. او در 1939 شكافت هسته‌اي را تشريح كرد و كمي بعد دريافت كه دو فيزيدان آلماني، اتو هان و اوليز ماينتز، چنين كاري را در يكي از آزمايشگاه‌هاي آلمان انجام داده‌اند. بور از اين خبر مطلع شد و بي‌درنگ معناي ترسناك شكستن اتم و انرژي عظيمي را كه آزاد مي‌كند را درك كرد. در همان سال به امريكا رفت و به اينشتين هشدار داد كه آلمان نازي از دانش تئوريك براي آغاز پژوهش در جهت ساخت بمب اتمي برخوردار است. اينشتين موضوع را به آيزنهاور، رييس‌جمهور امريكا، اطلاع داد و او نيز دستور داد پروژه منهتن آغاز شود تا امريكا اولين كشور صاحب بمب اتمي شود. در 1941 هايزنبرگ به ديدن بور آمد. او كه مجبور شده بود با نازي‌ها براي ساختن بمب اتمي همكاري كند، نموداري رمزي به بور داد كه فاش مي‌ساخت برنامه اتمي نازي‌ها تا كجا پيش رفته است. در 1943، بور به دليل بي‌اعتنايي علني به رژيم هيتلر، مجبور به فرار از دانمارك شد. او با هزار مكافات خودش را به انگلستان رساند و از آن‌جا به امريكا رفت و نمودار هايزنبرگ را به اوپنهايمر، فيزيكدان امريكايي و مدير پروژه منهتن، نشان داد. هر چه بود، امريكايي‌ها پيش از هيتلر به بمب اتمي رسيدند. شايد چون رژيم هيتلر فيزيك نظري را مصداق «علوم يهودي» مي‌دانست و اكثر فيزيكدانان بزرگ آلمان و اروپا را به امريكا فراري داده بود. بور در امريكا سهم خود را در ساخت بمب اتمي ادا كرد ولي پس از نابودي هيروشيما و ناكازاكي، از مشاهده پيامدهاي عمق فاجعه وحشت‌زده شد و به يكي از پرچمداران مبارزه با تحقيقات هسته‌اي بدل شد. پس از مرگ اينشتين در 1955، مقام «بزرگ‌ترين دانشمند زنده» به نيلز بور اعطا شد. او تا سال 1962 زندگي كرد و در هفده سال آخر عمرش، نهضت به اشتراك گذاردن جهاني همه معلومات درباره شكافت هسته‌اي را راه‌اندازي و رهبري كرد. بور معتقد بود اين كار مي‌تواند از توليد بمب‌هاي هسته‌اي مخرب‌تر جلوگيري كند؛ رويايي كه تعبير نشد و تاريخ گوياي اين حقيقت است.
  بور نخستين كسي بود كه شرح داد در شكافت هسته‌اي چه اتفاقي مي‌افتد. او در 1939 شكافت هسته‌اي را تشريح كرد و كمي بعد دريافت كه دو فيزيكدان آلماني، اتو هان و اوليز ماينتز، چنين كاري را در يكي از آزمايشگاه‌هاي آلمان انجام داده‌اند. در همان سال به امريكا رفت و به اينشتين هشدار داد كه آلمان نازي از دانش تئوريك براي آغاز پژوهش در جهت ساخت بمب اتمي برخوردار است. اينشتين موضوع را به آيزنهاور، رييس‌جمهور امريكا، اطلاع داد و او نيز دستور داد پروژه منهتن آغاز شود تا امريكا اولين كشور صاحب بمب اتمي شود. در 1941 هايزنبرگ به ديدن بور آمد. او كه مجبور شده بود با نازي‌ها براي ساختن بمب اتمي همكاري كند، نموداري رمزي به بور داد كه فاش مي‌ساخت برنامه اتمي نازي‌ها تا كجا پيش رفته است. در 1943، بور به دليل بي‌اعتنايي علني به رژيم هيتلر، مجبور به فرار از دانمارك شد. او به آمريكا رفت و سهم خود را در ساخت بمب اتمي ادا كرد.