تاریخ فیزیک کوانتومی

فیزیک قبل از قرن بیستم

فیزیک کلاسیک با کارهای گالیله و نیوتن تکوین یافت و در قرن نوزدهم به کمال خود رسید. در چارچوب فیزیک کلاسیک و هر سیستم فیزیکی با تعدادی متغیر، که تعدادشان در هر لحظه معیّن است، مشخص می‌شود. این متغیرها در یک دستگاه معادلات صدق می‌کنند و با دانستن مقدار آن‌ها در هر لحظه می‌توانیم مقدارشان در لحظات بعدی را مشخص کنیم. برنامه فیزیک کلاسیک مشخص کردن این متغیرها برای هر سیستم است. این برنامه تا نزدیکی اواخر قرن نوردهم با موفقیت طی شد، به‌طوری که در آن دوران فکر می‌شد که فیزیک به انتهای راه خود رسیده است. پروفسور جان تروبریج رئیس بخش فیزیک دانشگاه هاروارد در دهه‌های آخر قرن نوزدهم دانشجویان را از ادامه تحصیلات تکمیلی برحذر می‌داشت، زیرا به عقیده وی فیزیک حوزه‌ای از دانش بشری بود که در آن چیز مهمی برای اکتشاف باقی نمانده بود. به عقیده بعضی از فیزیکدانان تنها دقت تجربی ممکن است اضافه شود نه این که پدیده‌های جدید کشف شوند.  به قول مایکلسون در سال ۱۸۹۴:

قوانین بنیادی و اهمّ حقایق فیزیک همه کشف شده‌اند و اینها اکنون چنان تثبیت شده‌اند که امکان این که در اثر کشفیات جدید تغییر کنند بسیار بعید است… برای کشفیات بعدی باید دنبال رقم ششم اعشار بود.

امّا در اواخر قرن نوزدهم فیزیکدانان با دو مسأله مهم روبرو شدند: کشف اتِر و تشعشع از یک جسم داغ. توضیح اینها دیگر در چارچوب فیزیک کلاسیک میسّر نبود و برای تبیین اینها، به چهارچوب‌های جدیدی نیاز بود. مسأله اول به تکوین نظریه نسبیت خاص منجر شد و مسأله دوم به پیدایش نظریه کوانتوم منتهی گردید. نظریه کوانتوم نهایتاً در سالهای ۶-۱۹۲۵ به کمال خود رسید و پایه‌های فلسفی فیزیک کلاسیک را فرو ریخت.

فیزیک در ابتدای قرن بیستم

مسئله تابش جسم سیاه با قوانین فیزیک کلاسیک قابل حل نبودند، البته قوانینی بودند که به طور ناقض این پدیده را توصیف می‌کردند و امکان جمع کردن این توصف‌ها نبود. تا اینکه ماکس پلانک فیزیکدان آلمانی در سال ۱۹۰۰ میلادی با تلفیق نبوغ‌آمیز فرمول بسامد زیاد وین و قانون بسامد کم ریلی-جینز، فرمولی برای تابش جسم سیاه بدست آورد که با موفقیت کامل همراه بود.

موفقیت بی‌چون و چرای فرمول‌بندی ریاضی باعث شد که پلانک به جستجوی منشاء آن بپردازد و پس از دو ماه به این نتیجه رسید که می‌توان آن را با این فرض بدست آورد که انرژی وابسته به هر مد مغناطیسی به طور پیوسته تغییر نمی‌کند بلکه مضرب درستی از یک کوانتوم انرژی کمینه است. این نظریه‌ای انقلابی بود که توسط پلانک مطرح شد، خود او دقیقاً نمی‌دانست چه چیزی را کشف کرده ولی می‌دانست که فیزیک را تکان خواهد داد.

پس مطرح شدن کوانتیده بودن انرژی تابشی از یک جسم سیاه، فیزیکدان برجسته قرن بیستم و یا شاید تمام اعصار آلبرت اینشتین، در سال ۱۹۰۵ از نظریه کوانتیدگی برای تفسیر پدیده فوتوالکتریک استفاده کرد. او این اثر را با اصل‌موضوع قرار دادن اینکه کوانتوم‌های مجزای نور «فوتون‌ها» انرژی دارند، تعبیر کرد. در تعبیر این پدیده مقدار بدست آمده با ثابت پلانک برابر بود.

باید خاطر نشان شد که اینشتین در همین سال موفق‌ترین و مهم‌ترین نظریه تمام عمر خود یعنی نظریه نسبیت خاص را عرضه نمود که این نظریه با موفقیت کامل همراه بود و تمامی آزمایش‌ها آنرا تائید کرده‌اند و تاکنون هیچ نقضی بر آن وارد نشده است.

یکی از مسائل مهمی که در بین فیزیکدانان مطرح بود ارائه مدلی برای ساختار اتمی بود. در سال ۱۹۱۳، نیلز بوهر، فیزیکدان دانمارکی، مدل اتمی خود را مطرح کرد. او در این نظریه مدارهای الکترونی را با استفاده از قوانین فیزیک کلاسیک بدست می‌آورد در نهایت شرط کوانتیدگی را وارد معادلات می‌کرد و نتیجه مدل اتمی بود که با موفقیت خوبی همراه بود، ولی نقایصی هم داشت. و البته می‌توانست طیف اتم هیدروژن و انرژی آنرا با دقت خوبی پیش‌بینی کند.

پدیده دیگری که بوسیله کوانتیده بودن انرژی تعبیر و حل شد، پدیده کامپتون بود که در سال ۱۹۲۳ توسط آرتور کامپتون و به طور همزمان دِبای براساس نظریه فوتون توضیح داده شد.

یکی از نظریات مهمی که منشاء پیدایش فیزیک کوانتومی است، نظریه موج-ذرّه دوبروی است. لوئی دوبروی فیزیکدان فرانسوی در سال ۱۹۲۴ میلادی از ذرّه‌گونه بودن نور «فوتون» استفاده کرد و ادعاء کرد که ذرّات مادی نیز باید خصوصیات موجی داشته باشند. این نظریه که در تز دکترای او مطرح شده بود، ابتدا فقط توسط اینشتین و تعداد محدودی از فیزیکدانان، مورد قبول واقع شد.

در سال ۱۹۲۵ ولفگانگ پاولی، فیزیکدانانی که ریاضیدانی نابغه بود اصل طرد خود را برای سیستم‌های اتمی برای توضیح جنبه‌های مختلف انرژی و ساختار اتمی ارائه داد.

تولد مکانیک کوانتومی

فیزیکدانان از نظریه‌های کوانتومی برای تعبیر و توضیح پدیده‌های مختلف استفاده می‌کردند ولی هنوز کسی نتوانسته بود نظریه‌ای که بتواند همه مسائل را یکجا جواب دهد نیافته بود و مسابقه‌ای برای رسیدن به چنین چیزی جریان داشت.

تا اینکه در سال ۱۹۲۵ میلادی ورنر هایزنبرگ فیزیکدان جوان آلمانی که همکار نیلز بوهر در دانمارک بود، در زمان نقاهت بیماری به فرمول‌بندی برای نظریه‌های کوانتومی ‌رسید. او از یک سری جدول اعداد که شامل فرکانس‌ها و انرژی‌های مشاهده شده بود برای توضیح و بدست آوردن طیف‌های اتمی استفاده کرد. این فرمول‌بندی خیلی شبیه به ماتریس ریاضی بود. در کل او با این نظریه مسئله توصیف طیف‌های اتمی را حل می‌کند. شش ماه بعد از هایزنبرگ، اروین شرودینگر اتریشی، طی شش ماه و با ارائه شش مقاله پی‌در‌پی، با تعمیم و استفاده از نظریه امواج مادی دوبروی ریاضیاتی بدست می‌آورد که می‌تواند سوالات زیادی راجع به دنیای میکروسکوپی را حل کند. مهمترین بخش این ریاضیات معادله دیفرانسیلی مشهور شرودینگر است.

دو فرمول‌بندی کاملاً متفاوت بودند ولی توانایی حل مسائل مطرح را داشتند، و این دو کاشف در ابتدا نظریه‌های یکدیگر را قبول نمی‌کردند ولی بالاخره نشان داده شد که این دو فرمول‌بندی یکی هستند.

در سال ۱۹۲۸، ورنر هایزنبرگ دوباره با مطرح کردن اصل معروف خود یعنی، اصل عدم‌قطعیّت، دوباره دنیای فیزیک کلاسیک را به شدّت تکان داد. با ظهور این اصل بسیاری از مسائل جدید مطرح شدند و مشکلات فلسفی فراوانی پدید آمد. در همین زمان بود که بوهر نیز اصل مکملیت خود را عرضه نمود. بوهر در این زمان بیشتر روی جنبه‌های فلسفی فیزیک و تعبیر مکانیک تازه تأسیس کار می‌کرد.

پل دیراک که یکی از نوابغ ریاضی و فیزیک بود نماد گذار جدیدی را برای مکانیک کوانتومی بوجود آورد و توانست هم‌ارز بودن دو نوع مکانیک ماتریسی و موجی را نشان دهد. یکی از مشکلاتی که فیزیک جدید با آن روبرو بود نانسبیتی بودنش بود که این مسئله باعث می‌شد که فیزیک کوانتومی نظریه‌ای ناقص باشد ولی همین فیزیکدان در سال ۱۹۲۸، توانست برای الکترون معادله‌ای نسبیتی بدست آورد. و این آغازی برای نظریه میدان‌های کوانتومی بود که یکی از پیشرفته‌ و مهم‌ترین بخش‌های فیزیک امروزه می‌باشد.

در سال ۱۹۴۸، ریچارد فاینمن، نظریه انتگرال مسیر خود را ارائه داد. این فرمول‌بندی تمام فرمول‌بندی‌های گذشته فیزیک کلاسیک و جدید را یکجا جمع کرده بود و در واقع فرمول‌بندی‌های دیگر حدی برای آن بودند. نمودارهای فاینمن یکی از شاهکارهای فاینمن بودند که در فیزیک ذرّات بنیادی حائز اهمیت فراوان هستند.

در کل در طی سی سال اول قرن بیستم، فیزیک کوانتومی با کارهای پلانک در تابش جسم سیاه متولد شد و با کارهای فاینمن به حد کامل خود رسید. ولی مشکل و مسئله اصلی نه در ریاضیات مسئله که در تفسیر فیزیکی این نظریات بود.