اختصاصی بسپار/ پلیمری ها و فلسفه علم/ مساله کوانتوم: رخنه در یقین

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر در نگاه نخست، تاریخ فیزیک مدرن داستانی از پیشرفت پیوسته به نظر می‌رسد: از قوانین ساده‌ی نیوتون تا معادلات پیچیده‌ی قرن بیستم، از حرکت سیارات تا رفتار ذرات زیراتمی. اما اگر از لایه‌ی محاسبات فاصله بگیریم و به مفاهیم بنیادین بنگریم، با روایتی متفاوت روبه‌رو می‌شویم:
روایت فروپاشی تدریجی یقین.

مهندس سعیده خلجی/ کارشناس ارشد مهندسی پلیمر 

همانطور که پیشتر به تفصیل به جهان نیوتونی قرن هجدهم و نوزدهم پرداخته شده، می دانیم شاخصه ی جهان نیوتونی نظم و قطعیت بود. فضا و زمان مطلق، علیت سخت‌گیرانه، و قوانینی که گویی زبان خودِ طبیعت بودند. این تصویر نه‌فقط علم، بلکه فلسفه، الهیات و حتی سیاست را متاثر ساخت. جهان قابل محاسبه بود، و آینده دست‌کم در اصل قابل پیش‌بینی.
در شماره های پیشین به بحران های پدیدار شده در قلب این اطمینان را مرور کردیم و به تفصیل به نقش اینشتین در تغییر جهان بینی نیوتونی پرداختیم.
پس از بازخوانی گذار از جهان مطمئن نیوتونی به جهان نسبی اینشتینی، در این شماره به واقعیت مساله دار کوانتومی نگاهی خواهیم انداخت.

هدف این نوشتار دفاع یا رد یک نظریه‌ی خاص نیست -که البته در توان و دانش نویسنده نیز نیست-، بلکه نشان‌دادن این نکته است که علم چگونه با هر پیشروی، نه‌تنها پاسخ‌ها، بلکه خودِ پرسش‌ها را دگرگون می‌کند. در این مسیر، خواهیم دید که فیزیک مدرن بیش از آنکه داستان «کشف حقیقت نهایی» باشد، تاریخ بازاندیشی پیوسته‌ی مفاهیمی چون واقعیت، قانون طبیعی، مشاهده و زمان است.

شکست تصویر پیوسته‌ی جهان
در آغاز قرن بیستم، بحران‌هایی که پیش‌تر در دل فیزیک کلاسیک رخنه کرده بودند، دیگر محدود به نسبیت و گرانش نبودند. حتی در قلمرویی که نیوتون و ماکسول با اطمینان حکم می‌راندند قلمرو اتم‌ها و تابش نشانه‌هایی پدیدار شد که از ناتوانی تصویر کلاسیک طبیعت حکایت می‌کرد. آنچه در حال زایش بود، نه صرفا نظریه‌ای تازه، بلکه دگرگونی عمیقی در تلقی ما از واقعیت فیزیکی بود.
فیزیک کلاسیک بر پیش‌فرضی نانوشته استوار بود: طبیعت پیوسته است. انرژی می‌تواند هر مقداری بگیرد، حرکت‌ها نرم و قابل پیش‌بینی‌اند، و تغییرات فیزیکی از قوانین دقیق و تعیین‌پذیر پیروی می‌کنند.
اما این تصویر، در برابر داده‌های تجربی جدید، به‌تدریج فرو ریخت.
مساله‌ی تابش جسم سیاه یکی از نخستین ضربه‌ها را وارد کرد.

تابش جسم سیاه
برای ساده‌سازی بحث، ابتدا ایده‌ی کلی را توضیح دهیم. «جسم سیاه» اصطلاحی فنی در فیزیک است و به جسمی ایده‌آل گفته می‌شود که تمام تابش الکترومغناطیسی تابیده‌شده به آن را جذب می‌کند. مثلا نور هم نوعی تابش الکترومغناطیسی است؛ پس اگر پرتوی نور را به جسم سیاه بتابانیم، آن را به‌طور کامل جذب می‌کند و در نتیجه به نظر کاملا سیاه می‌آید (از این رو به آن «جسم سیاه» می‌گویند). در زندگی روزمره با جسم سیاه ایده‌آل روبه‌رو نمی‌شویم، اما نمونه‌هایی نزدیک به آن وجود دارند که مفهوم را روشن می‌سازند.
برای مثال، المنت مشکی اجاق برقی را در نظر بگیرید. چنین جسمی بخش بزرگی از نور تابیده به آن را جذب می‌کند و بنابراین تقریبا سیاه به نظر می‌رسد. علاوه بر این، وقتی گرم می‌شود، خودش شروع به تابش می‌کند: هم به شکل گرما و هم به صورت نور مرئی (وقتی خیلی داغ می‌شود، قرمز می‌درخشد). ما می‌توانیم الگوی تابش چنین جسمی را اندازه‌گیری کنیم.
جسم سیاه ایده‌آل هم وقتی گرم شود، باید تابش کند. بر اساس پیشرفت‌های فیزیک نیوتونی در قرن هجدهم و نوزدهم، انتظار می‌رفت این تابش از الگویی مشخص پیروی کند. در آن زمان، معادلات دقیقی در ادامه‌ی سنت ریاضی‌گرای نیوتون   برای پیش‌بینی این الگو وجود داشت.
اما در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، وقتی فیزیک‌دانان توانستند دستگاه‌هایی بسازند که شبیه جسم سیاه عمل می‌کردند و تابش آن‌ها را اندازه بگیرند، نتایج شگفت‌آوری به دست آمد:
• در طول‌موج‌های بلند، الگوی مشاهده‌شده تقریبا با پیش‌بینی‌های نظریه‌ی کلاسیک تطابق داشت.
• اما در طول‌موج‌های کوتاه (در ناحیه‌ی فرابنفش طیف)، هیچ شباهتی بین پیش‌بینی نظری و داده‌های تجربی وجود نداشت.
این ناهماهنگی به «فاجعه‌ی فرابنفش» معروف شد: طبق فیزیک کلاسیک، شدت تابش جسم سیاه باید در طول‌موج‌های کوتاه به بی‌نهایت میل می‌کرد، چیزی که آشکارا با داده‌های تجربی ناسازگار بود.
این مشکل از همان جنسی بود که در آزمایش میکل‌سون مورلی دیده شد: شواهدی که به‌وضوح با جهان‌بینی نیوتونی (و نسخه‌ی کلاسیک نظریه‌ی تابش) در تضاد قرار داشتند.
البته هیچ‌کس حاضر نبود یک نظریه‌ی موفق و قدرتمند مثل فیزیک نیوتونی را صرفا به خاطر یک مسله کنار بگذارد. اما تابش جسم سیاه هم یکی از آن «ابرهای کوچک» بود که لرد کلوین از آن‌ها یاد می‌کرد؛ ابرهایی که در آغاز بی‌اهمیت به نظر می‌رسیدند، اما بعدها معلوم شد طوفانی بزرگ در راه است.

راه‌حل این بحران سرانجام با نظریه‌ی کوانتومی ماکس پلانک (۱۹۰۰) به دست آمد. پلانک در اقدامی که خود آن را صرفا یک «ترفند ریاضی» می‌دانست، فرض کرد که انرژی تنها می‌تواند به بسته‌هایی گسسته کوانتا مبادله شود. پلانک که خود باور نداشت این کشف «واقعی» باشد؛ بذر دگرگونی عظیمی را کاشت که دیگر مهارشدنی نبود.
نیلز بور: نخستین گسست از تصویر کلاسیک اتم
نخستین تلاش جدی برای فهم ساختار اتمی، با نام نیلز بور گره خورده است. بور در سال ۱۹۱۳ مدلی از اتم هیدروژن ارائه کرد که در آن الکترون‌ها تنها می‌توانستند در مدارهایی خاص و مجاز به‌دور هسته حرکت کنند. این مدارها، برخلاف انتظار فیزیک کلاسیک، پیوسته نبودند؛ بلکه گسسته و کوانتیده بودند، و انرژی تنها در «پرش‌هایی ناگهانی» میان آن‌ها تغییر می‌کرد.
این پیشنهاد جسورانه، آشکارا با قوانین نیوتونی و الکترومغناطیس کلاسیک ناسازگار بود. با این حال، مدل بور توانست پدیده‌ای را توضیح دهد که فیزیک کلاسیک از درک آن ناتوان مانده بود: خطوط طیفی اتم هیدروژن. همین موفقیت تجربی کافی بود تا فیزیک‌دانان، دست‌کم موقتا، از ناسازگاری‌های مفهومی چشم‌پوشی کنند.
اما اهمیت کار بور تنها در این موفقیت تجربی خلاصه نمی‌شد. مدل او ناخواسته گامی فلسفی نیز برداشت. در این تصویر تازه، حرکت الکترون به‌معنای کلاسیک آن قابل مشاهده نبود؛ نمی‌شد مسیرش را همچون سیارات دنبال کرد یا ویژگی‌هایش را مستقل از شیوه‌ی مشاهده تعریف نمود. مفاهیمی چون «مدار دقیق» بیش از آنکه توصیفی از واقعیت باشند، ابزارهایی محاسباتی برای پیش‌بینی نتایج آزمایش به‌شمار می‌آمدند.
بور بعدها این نگرش را به‌صورت آگاهانه به اصلی فلسفی بسط داد. از نظر او، فیزیک نه درباره‌ی «آنچه جهان در ذات خود هست»، بلکه درباره‌ی «آنچه می‌توان به‌طور معنادار درباره‌ی طبیعت گفت و اندازه گرفت» است. این تغییر موضع، به‌تدریج به صورت‌بندی آنچه بعدها «تعبیر کپنهاگی» نام گرفت انجامید.

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 279 ماهنامه بسپار که در دی ماه 1404 منتشر شده است، می خوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه  و  فیدیبو  قابل دسترسی است.