ديد کلي
نيلز بور (1962 - 1885) ، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم ، در مورد چيزي که بنيان گذارده است، جمله‌اي دارد به اين مضمون که اگر کسي بگويد فيزيک کوانتوم را فهميده ، پس چيزي نفهميده است.
.jpg)
تقسيم ماده
از يک رشته‌ي دراز ماکاروني پخته شروع مي‌کنيم. اگر اين رشته‌ي ماکاروني را نصف کنيم، بعد نصف آن را هم نصف کنيم، بعد نصف نصف آن را هم نصف کنيم و ... شايد آخر سر به چيزي برسيم، البته اگر چيزي بماند! که به آن مولکولل ماکاروني مي‌توان گفت؛ يعني کوچکترين جزئي که هنوز ماکاروني است. حال اگر تقسيم کردن را باز هم ادامه بدهيم، حاصل کار خواص ماکاروني را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه تقسيم ، به مولکولهاي کربن يا هيدروژن يا ... بر بخوريم.
اين وسط ، چيزي که به درد ما مي‌خورد (يعني به درد نفهميدن کوانتوم!) اين است که دست آخر ، به اجزاي گسسته‌اي به نام مولکول يا اتم مي‌رسيم. اين پرسش از ساختار ماده که آجرک ساختماني ماده چيست؟ ، پرسشي قديمي و البته بنيادي است. ما به آن ، به کمک فيزيک کلاسيک ، چنين پاسخ گفته‌ايم: ساختار ماده ، ذره اي و گسسته است؛ اين يعني نظريه مولکولي.
تقسيم انرژي
ايده‌ي تقيسم کردن را در مورد چيزهاي عجيبتري بکار ببريم، يا فکر کنيم که مي‌توان بکار برد يا نه. مثلا در مورد صدا. البته منظورم اين نيست که داخل يک قوطي جيغ بکشيم و در آن را ببنديم و سعي کنيم جيغ خود را نصف ـ نصف بيرون بدهيم. صوت يک موج مکانيکي است که مي‌تواند در جامدات ، مايعات و گازها منتشر شود. چشمه‌هاي صوت معمولا سيستمهاي مرتعش هستند. ساده ترين اين سيستمها ، تار مرتعش است که در حنجره انسان هم از آن استفاده شده است. براحتي و بر اساس مکانيک کلاسيک مي‌توان نشان داد که بسياري از کميتهاي مربوط به يک تار کشيده مرتعش ، از جمله فرکانس ، انرژي ، توان و ... گسسته (کوانتيده) هستند.
گسسته بودن در مکانيک موجي پديده‌اي آشنا و طبيعي است. امواج صوتي هم مثال ديگري از کمّيتهاي گسسته (کوانتيده) در فيزيک کلاسيک هستند. مفهوم موج در مکانيک کوانتومي و فيزيک مدرن جايگاه بسيار ويژه و مهمي دارد و يکي از مفاهيم کليدي در مکانيک کوانتوم است. پس گسسته بودن يک مفهوم کوانتومي نيست. اين تصور که فيزيک کوانتومي مساوي است با گسسته شدن کمّيتهاي فيزيکي ، همه مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّيتهاي گسسته در فيزيک کلاسيک هم وجود دارند. بنابراين ، هنوز با ايده تقسيم کردن و سعي براي تقسيم کردن چيزها مي‌توانيم لذت ببريم!
مولکول نور
.jpg)
فرض کنيد بجاي رشته‌ي ماکاروني ، بخواهيم يک باريکه نور را بطور مداوم تقسيم کنيم. آيا فکر مي‌کنيد که دست آخر به چيزي مثل «مولکول نور» (يا آنچه امروز فوتون مي‌ناميم) برسيم؟ چشمه‌هاي نور معمولاً از جنس ماده هستند. يعني تقريباً همه نورهايي که دور و بر ما هستند از ماده تابش مي‌کنند. ماده هم که ساختار ذره‌اي ـ اتمي دارد. بنابراين ، بايد ببينيم اتمها چگونه تابش مي‌کنند يا مي‌توانند تابش کنند؟
تابش الکترون
در سال 1911، رادرفورد (947-1871) نشان داد که اتمها ، مثل ميوه‌ها ، داراي هسته مرکزي هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترونها به دور هسته مي‌چرخند. اما الکترونهاي در حال چرخش ، شتاب دارند و بر مبناي اصول الکترومغناطيس ، «ذره بادارِ شتابدار بايد تابش کند» و در نتيجه انرژي از دست بدهد و در يک مدار مارپيچي به سمت هسته سقوط کند. اين سرنوشتي بود که مکانيک کلاسيک براي تمام الکترونها پيش بيني مي‌کند. طيف تابشي اتمها ، بر خلاف فرضيات فيزيک کلاسيک گسسته است. به عبارت ديگر ، نوارهايي روشن و تاريک در طيف تابشي ديده مي‌شوند.
اگر الکترونها به اين توصيه عمل مي‌کردند، همه مواد (از جمله ما انسانها) بايد از خود اشعه تابش مي‌کردند (و همانطور که مي‌دانيد اشعه براي سلامتي بسيار خطرناک است)، ولي مي‌بينيم از تابشي که بايد با حرکت مارپيچي الکترون به دور هسته حاصل شود اثري نيست و طيف نوري تابش شده از اتمها بجاي اينکه در اثر حرکت مارپيچي و سقوط الکترون پيوسته باشد، يک طيف خطي گسسته است؛ مثل برچسبهاي رمزينه‌اي (barcode) که روي اجناس فروشگاهها مي‌زنند.
يعني يک اتم خاص ، نه تنها در اثر تابش فرو نمي‌ريزد، بلکه نوري هم که از خود تابش مي‌کند، رنگهاي يا فرکانسهاي گسسته و معيني دارد. گسسته بودن طيف تابشي اتمها از جمله علامت سؤالهاي ناجور در مقابل فيزيک کلاسيک و فيزيکدانان دهه‌‌ي 1890 بود.
فاجعه فرابنفش
ماکسول (1879-1831) نور را به صورت يک موج الکترومغناطيس در نظر گرفته بود. از اينرو ، همه فکر مي‌کردند نور يک پديده موجي است و ايده «مولکول نور» ، در اواخر قرن نوزدهم ، يک لطيفه اينترنتي يا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب مي‌شد. به هر حال ، دست سرنوشت يک علامت سؤال ناجور هم براي ماهيت موجي نور در آستين داشت که به «فاجعه فرابنفش» مشهور شد. يک محفظه‌ي بسته و تخليه شده را که روزنه کوچکي در ديواره آن وجود دارد، در کوره‌اي با دماي يکنواخت قرار دهيد و آنقدر صبر کنيد تا آنکه تمام اجزاء به دماي يکسان (تعادل گرمايي) برسند. در دماي به اندازه کافي بالا ، نور مرئي از روزنه محفظه خارج مي‌شود (مثل سرخ و سفيد شدن آهن گداخته در آتش آهنگري(.
.jpg)
جسم سياه
نمودار انرژي تابشي در واحد حجم محفظه ، برحسب رابطه رايلي- جينز در فيزيک کلاسيک و رابطه پيشنهادي پلانک در تعادل گرمايي ، اين محفظه داراي انرژي تابشي است که آن را در تعادل تابشي ـ گرمايي با ديواره‌ها نگه مي‌دارد. به چنين محفظه‌اي «جسم سياه» مي‌گوييم. يعني اگر روزنه به اندازه‌ي کافي کوچک باشد و پرتو نوري وارد محفظه شود، گير مي‌افتد و نمي‌تواند بيرون بيايد. فرض کنيد ميزان انرژي تابشي در واحد حجمِ محفظه (يا چگالي انرژي تابشي) در هر لحظه U باشد.
چه کسري از اين انرژي تابشي که به شکل امواج نوري است، طول موجي بين 546 (طول موج نور زرد) تا 578 نانومتر (طول موج نور سبز) دارند؟ جواب فيزيک کلاسيک به اين سؤال براي بعضي از طول موجها بسيار بزرگ است! يعني در يک محفظه‌ي روزنه دار که حتماً انرژي محدودي وجود دارد، مقدار انرژي در برخي طول موجها به سمت بي نهايت مي‌رود. اين حالت براي طول موجهاي فرابنفش شديدتر هم مي‌شود.
رفتار موجي ـ ذره‌اي
در سال 1901 ماکس پلانک (Max Planck: 1947-1858) اولين گام را بسوي مولکول نور برداشت و با استفاده از ايده تقسيم نور ، جواب جانانه‌اي به اين سؤال داد. او فرض کرد که انرژي تابشي در هر بسامد v به صورت مضرب صحيحي از hv است، که در آن h يک ثابت طبيعي (معروف به «ثابت پلانک») است. يعني فرض کرد که انرژي تابشي در بسامد v از «بسته‌هاي کوچکي با انرژي hv» تشکيل شده است. يعني اينکه انرژي نوراني ، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است.
البته گسسته بودن انرژي به‌تنهايي در فيزيک کلاسيک حرفِ ناجوري نبود، بلکه آنچه گيج کننده بود و آشفتگي را بيشتر مي‌کرد، ماهيت «موجي ـ ذره‌اي» نور بود. اين تصور که چيزي (مثلاً همين نور) هم بتواند رفتاري مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاري مثل «ذره» ، به طرز تفکر جديدي در علم محتاج بود.
منبع:http://atwis.com/خ