به ندرت می توان درطول تاریخ علم دوره ای را یافت که این پایه از روشنگری توسط چنین جمع معدودی صورت پذیرفته باشد.
ماکس پلانگ را با کلاه و سیگارش در کنار ماری کوری در ردیف جلو بنگرید. پلانگ عاری از نشاط است، او سالها تلاش برای افکار انقلابی اش،دربارۀ مواد وتابش، خسته به نظر می آید.
انیشتن با لباس شق ورق در وسط در ردیف جلو نشسته است.در سمت راست عکس،پرفسور42 ساله ای به نام بور در اوج توانایی اش، آرام و مطمئن که در ردیف وسط نشسته است.
در ردیف آخر، پشت سر اینشتین اروین شرودینگر با ژاکت و پاپیون اش به وضوح فردی بی قید به نظر میرسد. در سمت راست او، و با یک فاصله دو جوان افراطی به نام ولفگانگ پائولی و ورنر هایزنبرگ قرار دارند که هنوز در دهه سوم عمرشان به سر قرار دارند.جلوی آنها پل دیراگ ،لویی دوبروی،ماکس بورن و بور قرار گرفته اند.
پیرترین آنها پلانگ69 ساله بود که همه این ماجراها را در سال1900 شروع کرد تا دیراک25 ساله که جوانترین آنها بود نظریه را در سال1928 کامل کند.
هر زیبایی که دیدم،
و خواهانش شدم و بر آن دست یافتم،
رویایی از تو بود.
جان دان، فردای نیک
آيا مكانيك كوانتومي يك نظريه كامل است؟
نظریه کوانتوم چیست؟
نظریه کوانتوم موفق ترین دستگاههای فکری است که تاکنون توسط بشر ابداع شده است. این نظریه، جدول تناوبی عناصر و چگونگی رخ دادن واکنش های شیمیایی را توضیح می دهد. نظریه کوانتوم همچنین پیشگویی های دقیقی درباره لیزر، میکروچیپ، پایداری DNA و چگونگی تشعشع ذرات آن از درون هسته، به دست داده است.
اینشتین:نظریه کوانتوم غیر شهودی است و عقل سلیم را به مبارزه می طلبد.
پائولی:اخیراْ مفاهیم آن به فلسفه شرقی شبیه شده اند و برای کاوش رازهای پنهان شعور، اراده آزاد و فراهنجار به کار می روند.
شرودینگر:نظریه کوانتوم هرگز ناکام نشد.
پلانک:نظریه کوانتوم اساساْ ریاضی است.
بورن:ساختار نظریه کوانتوم چشم انداز جهان فیزیکی را دگرگون ساخته است.
قرائت بور از نظریه کوانتوم که در سال1927 ارائه شد، امروزه نیز متداول است. این امر با وجود این است که آزمایش های فکری انیشتن درسال1930 اصول بنیادی قرائت بور را زیر سوال برد.
آیا ممکن است باز هم حق با انیشتن باشد؟ آیا چیزی نادیده گرفته شده؟
مكانيك كوانتومي به خوبي ما را در درك هرچه بهتر از ساختار وخواص اتمها ، مولكولها ، جامدات و رفتار ذرات زير اتمي ياري داده است و هداياي گرانقدري نيز به ما اعطا نمود ترانزيستور-ليزر-تلويزيون-كامپيوتر – ميكروسكوپ الكتروني – انرژي هسته‌اي و…
همه و همه نتايج فيزيك كوانتومي است فيزيكي كه بر پايه عدم قطعيت، احتمال ، ميانگين و آمار بناشده است. نظريه كوانتومي كه توسط پلانك و اينشتين ساخته و پرداخته گرديد باسايه انداختن ديدگاه احتمال و عدم قطعيت برآن موجب نارضايتي و دلسردي اينشتين شد و راهش را از سايرين جدا كرد چراكه طرز فكري كه نسبيت‌‌ها از آن تراوش كرده بودنند اين اجازه را به اينشتين نمي‌داد كه جهان عيني و علّي را رها كند و درسايه ترديد و تزلزل در پي كشف حقايق عالم برآيد ولي شايد اينشتين درست انديشيده بود و اين بوهر وهمفكران او بودند كه در بكارگيري و تعميم اصل عدم قطعيت راه را به بيراهه رفتند.
همان طور كه براي توجيه پديدهاي عالم ماكروسكوپي فيزيك كلاسيك به تنهايي ناقص و نارسا است شايد براي بررسي تمام جوانب عالم زير اتمي فيزيك كوانتومي نيز به تنهايي كافي نباشد و آنجا كه فيزيك كوانتومي دراندازه گيري همزمان تكانه و مكان ذره به بن بست مي‌رسد شايد براي رهايي از اين بن بست نمي‌بايست از اصل عدم قطعيت استفاده مي‌كرديم بلكه بايد مكانيك كوانتومي را كامل يا اصلاح مي‌نموديم يا با خلق روشهاي نوين در رفع اين معضل برمي‌آمديم وبدين گونه با تدوين نظريه‌اي جديد از اتهام طبيعت به سردرگمي و دو شخصيتي يك شخصيت علّي در توجيه وقوع رويدادهاي ماكروسكوپي و ديگري شخصيت غير قابل پيش‌‌بيني و غير قطعي در رويدادهاي زير اتمي پرهيز مي‌كرديم.
ولي در حال حاضر فيزيك كوانتومي با سرعتي متحير كننده مسير ترقي و شكوفايي خود را مي‌پيمايد بي‌آنكه درجاده هموار خود با مشكل مواجه شود. و تا موقعي كه مشكلي ايجاد نشود( همانند مشكلات موجود در فيزيك كلاسيك كه زمينه را براي تولد نظريه‌هاي نسبيت و كوانتوم فراهم نمود) دانشمندان نيازي به خلق نظريه‌ائي جديد يا ايجاد تغييري درآن نمي‌بينند.
جنگ سی ساله نظریه کوانتوم در برابر فیزیک کلاسیک
سه تجربه در عصر پیش کوانتومی وجود داشت که نمی توان برای توجیه آن از فیزیک کلاسیک استفاده کرد.
1- تشعشع جسم سیاه و فاجعه فرابنفش کوانتوم(پلانک)
2- اثرفوتوالکتریک ذرات نور(انیشتن)
3-خطوط روشن طیف نوری (اتم بور)
این دانشمندان با ارائه راه حل هایشان نخستین قدمها را برای درک جدید طبیعت برداشتند. امروز کار مشترک این سه مرد که نقطه اوج آن مدل اتمی بور در سال 1913 بود، بعنوان نظریه قدیم کوانتومی شناخته می شود.
تولد سه نظریه جدید کوانتومی
در طول 12 ماه از ژوئن 1925 تا ژوئن 1926 نه یک،نه دوتا بلکه سه طرح متفاوت و مستقل از نظریه کامل کوانتومی منتشر شد. که بعدها نشان داده شد که هرسه آنها معادل یکدیگر هستند... 
اولین:مکانیک ماتریسی که توسط ورنر هایزنبرگ مطرح شد.
دومین:مکانیک موجی که توسط اروین شرودینگر مطرح شد.
سومین: جبر کوانتومی که توسط پل دیراگ مطرح شد
مکانیک کوانتومی و ناخشنودیهای آن
هایزنبرگ(76-1901) در مونیخ در جایی که پدرش استاد زبان یونانی در دانشگاه محلی بود، پرورش یافت. اواغلب از کوهنوردی از کوهنوردی لذت می برد. او دانش آموزی تیز هوش و پیانستی ماهر بود و درسال 1920 بعد از ثبت نام در دانشگاه مونیخ برای مطالعه نزد سامرفیلد رفت و در آنجا باولفانگ پائولی ملاقات کرد.
پائولی و هایزنبرگ در ژوئن 1922 در گوتینگن بودند.و در این زمان هایزنبرگ برای اولین بار بور راملاقات کرد. او تنها 20 سال داشت و در این زمان بر روی تز دکترای خود کار می کرد.در همان روزها بود که پس از یکی از سخنرانی های بور به اعتراض برخاست وبور با تردید به اعتراض او جواب داد:
هایزنبرگ:بس از پایان سخنرانی، بور نزد من آمد و از من خواست برای راهپیمایی در کوههای هاینبرگ
اورا همراهی کنم. این راهپیمایی تاثیرعمیقی بر زندگی علمی من گذاشت. شاید صحیح ترباشد که بگویم که زندگی علمی وافعی من از عصر همان روز شروع شد که بور به من گفت:
«اتم شئی نیست». وما حدود سه ساعت باهم صحبت کردیم.وبرای اولین بار بود که من دیدم یکی از بنیان گذاران نظریه کوانتوم نگران مشکلات آن است. بور بینش عمیقی داشت که ناشی از مشاهده پدیده های واقعی بود و نه از نتیجه تحلیل های ریاضی. او می توانست به جای استنتاج صوری روابط آن ها را به طور شهودی بفهمد.
پس از پیاده روی بور درباره هایزنبرگ به دوستانش گفت:
هایزنبرگ همه چیز را می فهمد.در حال حاضر همه راه حل در دست اوست. او باید راهی فرار از مشکلات نظریه کوانتوم بیابد. اما هایزنبرگ باعث شگفتی بور شد.او از مدارهای الکترونی بور متنفر بود.
هایزنبرگ:هرگز نمی توان آنها را مشاهده کرد . فایده صحبت کردن درباره مسیرهای نامرئی الکترون در اتم غیر قابل رویت چیست؟
اگر نتوان اتم را دید، پس اتم مفهومی بی معنی است.
چندین سال بود که هایزنبرگ و همکارانش با مسئله ای که بور در 1913 دربارهُ نظریهُ اتم عنوان کرده بود کلنجار می رفتنند:چرا الکترون در اتم فقط مجاز ند ترازهای مشخصی را که دارای که دارای انرزیهای معینی هستند را پر کنند. هایزنبرگ روشی تازه ابداع کرد، چون هیچ کس نمی تواند مدارهای الکترون را در درون اتم ببیند، او تصمیم گرفت که فقط ارقامی را بپذیرد که قابل اندازه گیری است: به ویژه ،مصمم شد با انژیهای وابسته به«حالتهای کوانتومی» که در آنها الکترونهای اتم مدارهای مجاز را پر می کنند کارکند، وهمچنین به سرعتهای نظر بیفکند که یک اتم ممکن است با انتشار یک فوتون به طور خود انگیز از هریک از این حالتهای کوانتومی به حالت دیگر انتقال یابد.
هایزنبرگ، چنانچه که خود گفته است ، جدولی از سرعت انتقالها تنظیم کرد و یک دستگاه ریاضی که روی این جدول عمل می کند ابداع کرد، که خود آن به جدولهایی نوین انجامید:
نوعی جدول برای هریک از کمیتها مانند مکان یا سرعت یا توان دوم سرعت الکترون. با دانستن اینکه انرژی ذره ای در یک دستگاه ساده چگونه به سرعت و به مکانش بستگی دارد، هایزنبرگ توانست جدولی از انرژی های دستگاهی را در حالتهای گوناگون کوانتومی آن محاسبه کند.
هایزنبرگ می گوید:نقطه شروع کار من ایده نوسانگرهای ساده واقعی بود که می توانند همه فرکانسهای طیف را تولید کنند،نه بصورت مدل کوچکی از منظومه شمسی.و اگر بخواهیم دقیق تر بگوییم،ترازهای درون جدول هایزنبرگ ارقامی بودند که امروزه به نام دامنه انتقال معروف است، ارقامی که توان دوم آنهاسرعت انتقال را معین می کند. پس از بازگشت از هلگولند به گوتینگن به اوگفتند که روش اختراعی جدولهایش برای ریاضیدانها آشنا است، این نوع جدولها نزد ریاضیدانها به ماتریس معروف است.
بعدها هایزنبرگ کشف خود را هدیه ای از بهشت نامید، پیش از پایان سال 1925 فیزیکدانانی نظیر ماکس بورن، پاسکوال یوردان در آلمان و پل دیراگ در انگلستان عقاید هایزنبزگ را در باره مکانیک کوانتومی بشکلی درآوردندکه قابل فهم باشد امروزه این شکل به مکانیک ماتریسی معروف است.
استیون واینبرگ(برنده جایره نوبل فیزیک)در مورد مقالهای هایزنبرگ چنین می گوید:
اگر خواننده ای در فهم آنچه هایزنببرگ انجام داد سر در گم است، او در این کار تنها نیست. چندین بار کوشیده ام تا مقاله ای را که هایزنبرگ پس از بازگشتن از هلگولند نوشت بخوانم، و با اینکه گمان می کنم مکانیک کوانتوم را می فهم، هرگز نتوانستم انگیزه هایزنبرگ را در گامهای ریاضی را که در این مقاله برداشته است را درک کنم.
فیزیکدانان نظریه پرداز در موفقترین کارهای خود یکی از این دو نقش را دارند:یا «خردمندانه»یا «افسونگرانه» . فیزیکدان خردمند درباره مسائل فیزیکی با گامهای منظم و بر پایه عقاید بنیادی استدلال می کند که طبیعت چگونه باید باشد. برای نمونه، اینشتن در ایجاد نظریه نسبیت عام نقش خردمندانه ای داشت. وی با مسئله ای مشخص رو به رو بود : چگونه می توان نظریه گرانش را با نظریه ای نوین درباره فضا وزمان، که خود او در سال 1905 به نام نظریه نسبیت خاص پیشنهاد کرده بود، سازگار کرد.اما در سال1900 ، پلانگ در اختراع نظریه انتشار حرارت یک افسونگر بود، و اینشتن نقش افسونگر را هنگامی بازی کرد که ایده فوتون را در سال 1905 پیش نهاد. شاید علت اینکه نظریه فوتون را بعدها به عنوان انقلابی ترین فکر خود ذکر کرد همین باشد. به طور کلی، درک نوشته های فیزیک دانهای خردمند بسیار دشوار نیست، اما بیشتر نوشته های فیزیکدانهای افسونگر درک پذیر نیست. به این معنا، نوشته سال 1925 هایزنبرگ افسونگریی ناب است.
ولفگانگ پاولی در هامبورگ، از این مکانیک ماتریس نوین توانست یکی از مسائل فیزیک را که انگشت
نما شده بود، یعنی محاسبه انرژی حالتهای کوانتومی هیدروژن، محاسبه کند و نتایجی راکه بور قبلاً بدست آورده بود تایید کند.
پاولی تز دکترای خود را زیر نظر سامرفیلد درباره نظریه کوانتومی هیدروژن یونیزه در سال1921 انجام داد. اویک نیم سال به عنوان دستیار بور به گوتینگن رفت وسپس به عنوان استاد بدون حقوق به هامبورگ عزیمت کرد.پاولی برای محاسبه کوانتومی مکانیکی در زمینه ترازهای انرژیی اتم هیدروژن شایستگی
ریاضی فوق العاده ای از خود نشان داده محاسبه او روش استفاده خردمندانه از قواعد هایزنبرگ وتقارنهای خاص اتم هیدروژن بود.
بااینکه هایزنبرگ و دیراگ نیروی خلاقیت بیشتری نسبت به پاولی داشتند اما هیچ فیزیکدانی از نظر هوش به پای او نمی رسید. ولی حتی او هم نتوانست این محاسبات را به اتم بعدی،یعنی هلیوم گسترش دهد، چه رسد به اتم ها و مولکولهای دیگر.
مکانیک کوانتومی که امروزه در دانشگاهها تدریس می شود و شیمیدانان و فیزیکدانان از آن استفاده می کنند در واقع همان مکانیک ماتریس هایزنبرگ وپاولی وهمکارانشان نیست، بلکه دستگاه معادل ریاضی دیگری است که بسیار آسانتر به کار می آید،و شکل آنرا،کمی بعدکشف مکانیک ماتریس،اروین شرودینگر ابداع کرد.
در کوانتوم مکانیکی که شرودینگر پیشنهاد کرد،هریک از حالتهای فیزیکی ممکن دستگاهی را میتوان باتعیین کمیتی به نام تابع موجی مشخص کرد،درست مانند آنچه برای توضیح نور به عنوان موجی از میدانهای الکتریسیته و مغناطیسی دیده می شود.
روش تابع موجی برای مکانیک کوانتوم ، در سال 1923 در مقاله لوئی دوبروی و سپس در رساله دکترایش در سال1924، پیش از نوشته های هایزنبرگ مطرح شده بود.دراین قسمت کمی به عقب تر باز می کردیم وبا شاهزاده فرانسوی جناب دوبروی آشنا شویم.درسال1923 یک دانشجوی فارغ التحصیل از سوربن پاریس، پرنس لوئی دوبروی ایده حیرت انگیز خود را ارائه داد که بیانگر خصوصیت موجی بودن ذرات بود.دوبروی به شدت تحت تاثیر بحث های اینشتن درباره لزوم لحاظ کردن دوگانگی در فهم طبیعت نور ، قرار داشت.
دوبروی در تز دکترایش چنین نوشت...
وبلاگ مشترک دانشجویان درس تاریخ و فلسفه علم استاد علی جعفری