دانشمند سرشناسی که با نظریه کوانتوم تداعی می شود هایزنبرگ است . اما ، پیش از آنکه از نظریات هایزنبرگ راجع به علم ، فلسفه و فلسفه علم بحث کنیم ، لازم است گام هایی که پیموده است تا به نظرگاهش دست یازد ، مورد بررسی و بازبینی قرار دهیم . دانشمندان ناموری که در رشد و تکامل نظریه کوانتوم سهیم بوده اند عبارتند از : ماکس پلانک ، آلبرت انیشتین ، لویی دوبروی و ادوین شرودینگر.
پلانک و اکتشاف کوانتوم ها
نگرش مکانیکی به عالم را می توان بر حسب ذرات متحرک توضیح داد در صورتی که این ذرات بر حسب یک چارچوب سنجش نسبی که متضمن فضا و زمان است ، فهمیده شوند . با دررسیدن قرن بیستم این نگرش ، به گونه یا گونه هایی حاکمیت پیدا کرد . اما ، انیشتین در نظریه نسبیتش همگام با رشد نظریه کوانتوم ، با آن چالش جست . مسائل مورد توجه در نظریه کوانتوم ، سرشت و ساختار ماده و انرژی و مولفه های بنیادی عالم است .
ماکس پلانک (1858الی 1947) فیزیک دان آلمانی ، کارش را بر روی نظریه کوانتوم در حوالی سال 1900 ، هنگامی که مسائلی را در باب تشعشع مطالعه می کرد ، آغاز نمود . از جمله این مسائل یکی این بود که اگر جسمی تا درجه ای بالا حرارت ببیند ، باریکه ای از نور از جسم گداخته تابیده می شود که رنگ آن با تغییر درجه حرارت دگرگون می شود . به تناسب افزایش درجه حرارت ، این باریکه نخست سرخ ، سپس نارنجی ، بعد زرد و سرانجام سفید می شود . مسئله ای که ذهن پلانک را به خود مشغول کرد ، صورت بندی روابط ریاضی بین مقدار انرژی تابشی گسیل شده ، طول موج باریکه نور حاصل از جسم گداخته شده ، و درجه حرارت بود .
پلانک در کارش به اینجا رسید که برای تحقیق در خصوص تابش جسم سیاه ، از طیف نما استفاده کند . اما با کمال شگفتی دریافت که تابش انرژی به صورت جریان متصل گسیل نشده بلکه گسیل در بسته های کوچک جداگانه موسوم به کوانتا است . سیلان انرژی تابشی به گلوله هایی که از یک تفنگ شلیک می شوند بسیار بیشتر شبیه است تا به آبی که از شیلنگی به بیرون فوران می کند . رهنمون شدن به کوانتوم ها ، پلانک را قادر ساخت تا معادله ای را که در جستجوی آن بود صورت بندی کند .
ثابت پلانک 2
هر کوانتوم انرژی ای دارد که می توان آن را با این فرمول تعیین کرد :E=hv . در این فرمول ، (v) بسامد نور یا طول موج آن است ؛ (h) ثابت پلانک است که عددی بسیار کوچک است که پیوسته در فرمول های فیزیک قرن بیستم تکرار می شود .
نظریه موجی نور
اشخاصی نظیر ماکسول از قهرمانان بینش موجی نور بودند .دو پدیده بر نظریه موجی نور گواهی می دهند : پراش و تداخل . پراش تجزیه پرتوی از نور به دو دسته روشن و تیره یا به رنگ های طیف است که معلول تداخل بخشی از یک باریکه نور با بخش دیگر است . پراش هنگامی رخ می دهد که پرتوی از نور در لبه ی یک شی مات و کدر بشکند یا از شکاف باریکی بگذرد . آزمایش های بسیار وجود پراش را تایید می کنند .
تداخل عبارت است از کنش متقابل دو موج یا جریان نور به منظور تقویت یا خنثی کردن یکدیگر برطبق فاز های نسبی آنها هنگام تلاقی شان . آزمایش های متعددی وجود دارد که متضمن تداخل اند و حاکی از اینکه فقط نظریه موجی نور می تواند آنها را تبیین نماید .
انیشتین و اثر فتوالکتریک
همانگونه که قبلا آموخته ایم ، نور ، حرارت ، اشعه x و غیره ، همگی از نمونه های انرژی تابش اند . انیشتین در نظریه نسبیتش کار پلانک را به دیده قبول نگریست و تبیین نور بر حسب کوانتوم ها را یکی از اصول موضوعه بنیادی نظریه اش قرارداد .
همچنین انیشتین با کشف اثر فتو الکتریک،به رشد نظریه کوانتوم یاری رساند. در 1905 انیشتین پی برد که نور مرکب از ذراتی به نام فوتون است . هنگام یکه جریانی از فوتون ها گسیل شوند تا به یک صفحه فلزی برخورد کنند الکترون هایی که صفحه فلزی از آنها ساخته شده است تجزیه و آزاد می شوند . هرقدر گسیل فوتون ها قوی تر باشد ، فوتون های بیشتری تجزیه و رها می شوند . اثر فتو الکتریک از سوی انیشتین و سایر فیزیک دانان به گونه ای تعبیر شد که حاکی از این بود . نور از امواج ساخته نشده است .
دوبروی
لویی دوبروی( 1987 -1892) فیزیکدان فرانسوی به سردرگمی عمومی رو به گسترش در این خصوص که نور آیا مرکب از ذرات یا امواج است رای دیگری را افزود . برای درک سهم دوبروی در این خصوص ، یاد آوری می کنیم که نظریه اتم نخستین بار از سوی نیلز بور ، دانشمند پرآوازه دانمارکی ، پیشنهاد شد . از نظر بور، ساختار اتم همانند منظومه شمسی کوچک شده ای است که هسته اتم نشان دهنده خورشید است که خود مرکب از ذراتی است . در پیرامون هسته ، الکترون در گردش است که در هر عنصر یافت بشود ، جرم و بار الکتریکی یکسانی دارد . برحسب این تمثیل ، این گونه پنداشته شده است وقتی الکترون از یک سطح مدار انرژی به مدار پایین تر تنزل می کند ، انرژی تابشی گسیل می دارد .
جهش الکترون های پیرامون از یک سطح فرضی به سطح دیگر ، فیزیکدان ها را بدین جا رهنمون کرد که گمان بزنند الکترون ها به راستی و به هیچ روی ذرات نیستند . در واقع ، به نظر نمی رسید ، الکترون ها موضع معینی را در فضا که همانا یکی از صفات مشخصه بنیادی ذره بود اشغال کنند .
در 1925، دوبروی به جهان اعلام کرد که الکترون ها ذرات نیستند، بلکه منظومه هایی از امواجند . مضافاً به اینکه ، پی برد طول موج الکترون ها را می توان بر حسب این فرمول سنجید ؛ x=h/mv ، در این فرمول ، (v) سرعت الکترون ؛ (m)جرم آن و البته (h) ثابت پلانک است . توجه داشته باشید که برای دست یافتن به طول موج لازم نیست وضع الکترون را در فضا بدانیم . تنها چیزی که لازم است بدانیم تندی (= اندازه سرعت ) یا سرعت آنهاست .
مکانیک موجی
اروین شرودینگر (1961-1887) فیزیکدان اتریشی ، نظریه دوبروی را از آنچه که بود حتی پیش تر برد . او به توسعه یک صورت بندی ریاضی پرداخت که به وی این توانایی را داد تا نظریه موجی مکانیک را طرح ریزی و پیشنهاد کند . به نظر او ، نه فقط الکترون ها ، بلکه فوتون ها ، اتم ها و تمام مولکول ها را می توان به منزله امواج لحاظ کرد به سرپرستی دانشمندان آمریکایی دیویسن و گرمر ، آزمایش هایی صورت گرفت که اثبات شد این موجودات خواص موج را دارند ، به ویژه پراش الکترون ها در هنگامی که درکریستال های فلزی به وقوع می پیوندد .
امواج و ذرات
در این لحظه ، هایزنبرگ وارد صحنه می شود . هایزنبرگ در عنفوان جوانی به معادله هایی دست یافت که به فیزیکدان ها این قدرت را داد که کوانتوم های نور را یا ذرات یا امواج محسوب کنند . استدلال او بر این پایه بود که عملاً هیچ تفاوتی نیست ، زیرا دانشمندان در هر کجا که این دو تعبیر به کار آیند با کمیت های عظیم سرو کار دارند .
پدید شدن این تنگنا راجع به سرشت نور را می توان بدین گونه توضیح داد : برخی پدیده ها و آزمایش ها ایجاب می کنند که نور را مرکب از امواج بدانیم و پدیده ها و آزمایش های دیگر ایجاب می کنند که نور را مرکب از امواج به حساب آوریم . چندین آزمایش یا رهیافت محتمل وجود دارند که می توان در این تنگنا به آنها تمسک جست . اول ، می توان استدلال کرد که یا تعبیر ذره ای درست است یا تعبیر موجی و برای علم روزی آشکار خواهد شد که درست کدام یک از آنهاست . دوم ، می توان استدلال کرد که هم ذرات و هم امواج می توانند در ذیل یک مقوله جدید ، که پاره ای اوقات به آن بعنوان (موج ذره ) اشارت می شود بگنجند ، و از این راه هر دو دسته پدیده ، از دیدگاه بنیادی تری تبیین خواهند شد . سوم ، می توان مانند هایزنبرگ استدلال کرد که این تنگنا ظاهراً فقط در جایی به وجود می آید که معادله هایی وجود دارند که به ما این توانایی را می دهند به هر دو دسته از پدیدها بپردازیم .
یادآوری : بدین سان ، دوگانگی نور بر حسب امواج و ذرات منتهی به دوگانگی های دیگر می شود : دوگانگی در انواع شناختی که علم تامین می کند .
ورنرکارل هایزنبرگ (1976-1901) یکی از دانشمندان بزرگ و متعدد آلمانی در قرن بیستم است . به سبب کار اصلی و اثر بنیادی اش ، مبانی فیزیکی نطریه کوانتوم ، برنده جایزه نوبل فیزیک در 1932 گردید . او مدیر موسسه پلانک در گوتینگن بود.
در ادامه به پیامد های اصل عدم قطعیت خواهیم پرداخت.
تاریخ و فلسفه ی علم/ نیکلاس کاپالدی/انتشارات سروش
