نیلز بور؛ عاشق تئوری های شکست خورده

ماهنامه دانشمند - موسی توماج ایری: نیلز بورو در کنار ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، ورنر هایزنبرگ، ولفانگ پائولی، پل دیراگ، اروین شرودینگر و برخی دانشمندان دیگر سهم بسیار عمده ای در توسعه و تکامل مکانیک کوانتومی داشت. او که از طریق مدل اتمی خود، اولین پیوند را میان فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتومی ایجاد کرد با وضع «اصل مکملیت» سعی کرد به تفسیر آن نظریه و درک بیشتر آن نیز یاری رساند. پانزدهم مهر ماه (۷ اکتبر) مصادف با زادروز نیلز بور است، به همین مناسبت این مطلب را به او اختصاص دادیم.

دانشمند در یک نگاه

• نام: نیلز هنریک دیوید بور
• تولد: ۱۸۸۵
• درگذشت: ۱۹۶۲
• عمر: ۷۷
• ملیت: دانمارک
• رشته: فیزیک
• اکتشاف: مدل اتمی بور
• افتخارات: نوبل فیزیک ۱۹۲۲

«جهان از چه ساخته شده است؟» این پرسش شاید از هزاران سال قبل ذهن بشر را به خود مشغول کرده باشد که منجر به ابداع افسانه ها و اسطوره های بسیاری نیز شده است. تالس که برخی او را نخستین فیلسوف یونانی می دانند، به جای توسل به افسانه پردازی و اسطوره سازی سعی کرد بر مبنای مشاهده جهان طبیعت و تفکر عقلانی، به این پرسش پاسخ دهد. او معتقد بود که آب می تواند حالت های مختلفی داشته باشد: گاز (بخار)، مایع (آب دریا) و جامد (یخ). پس او فکر کرد که تمام مواد جهان از حالت های مختلف آب ساخته شده اند.

برخی از فیلسوف - دانشمندان یونانی، آتش را ماده اولیه جهان دانستند. در اواخر سده پنجم قبل از میلاد، دموکریتوس نخستین نظریه اتمی را ارائه کرد. او مدعی شد که جهان از ذرات ریزی به نام اتم (به معنای تجزیه ناپذیر) تشکیل شده است. ارسطو معتقد بود که جهان از ترکیبات عناصر چهارگانه آب، آتش، خاک و هوا تشکیل شده است. تا اوایل قرن نوزدهم و به مدت بیش از دو هزار سال، «عناصر چهارگانه ارسطو» نظریه غالب در مورد سنگ بنا و ماده اولیه جهان بود.

مدل اتمی مدرن: از دالتن تا رادرفورد

در سال 1808 جان دالتن شیمیدان انگلیسی مدعی شد که اگر بتوان به هر عنصر شیمیایی یک اتم مادی نسبت داد، می توان بسیاری از قوانین شیمیایی موجود را به سادگی توضیح داد . بر این اساس، تمام مواد موجود در جهان باید از ترکیب های مختلف چند نوع محدود و متفاوت از اتم ها تشکیل شده باشد. دالتن هم مثل دموکریتوس، اتم ها را تجزیه ناپذیر می دانست.

با کشف الکترون توسط «جی جی تامسن»، فیزیکدان انگلیسی در سال ۱۸۹۷ که دارای بار منفی بود و از داخل همان اتم تجزیه ناپذیر دالتن خارج می شد، مشخص شد که باید بخشی از اتم هم بار مثبت داشته باشد و به این ترتیب معلوم شد که اتم دارای ساختار است و عنصر بنیادی و تجزیه ناپذیری نیست. طبق نظر تامسن، اتم ماده بزرگ در هم آمیخته ای بود که بار مثبت داشت و در آن الکترون ها مانند کشمش های درون یک کیک پراکنده شده بودند.

وقتی که «ارنست رادرفورد» فیزیکدان نیوزلندی در دانشگاه منچستر انگلیس، به بمباران ورقه نازکی از طلا توسط ذرات آلفا (هسته هلیوم) پرداخت، انتظار نداشت که هیچ انحرافی در مسیر آنها روی دهد زیرا مدل کیک کشمشی تامسن در برابر ذرات آلفا، مثل یک تار عنکبوت در برابر گلوله تفنگ بود. وقتی که تعداد قابل توجهی از ذرات آلفا (حدود یک هزارم) از ورقه طلا به عقب رانده شدند، رادرفورد آن را «باورنکردنی ترین اتفاق زندگی خود» توصیف کرد. او حدس زد که درون اتم باید چیزی بزرگ تر از ذرات آلفا وجود داشته باشد. او در سال ۱۹۱۱، آن چیز را «هسته» نامید که چون ذرات آلفا با بار مثبت را دفع می کرد، پس باید دارای بار مثبت باشد. این هسته، ذره ای به قطر تقریبی ۱۰-۱۳ سانتی متر بود که یک بار منفی معادل آن، تا شعاع کامل اتمی در حدود ۱۰-۸ سانتی متر آن را احاطه کرده بود. یعنی اتم حدود یکصد هزار بار بزرگ تر از هسته آن است. با این حال این هسته ناچیز تقریبا تمام جرم اتم را تشکیل می داد. چنین بود که رادرفورد آغاز عصر فیزیک هسته ای را رقم زد.

رادرفورد مدل اتمی کیک کشمشی تامسن را به مدل منظومه ای تغییر داد. در این مدل جدید، اتم از هسته کوچک متراکمی تشکیل شده بود که بار مثبت دارد و الکترون ها که دارای بار منفی هستند، به دور آن می چرخند اما رادرفورد با ارائه این مدل، جهان را با خطر بزرگی مواجه ساخت.

ظهور یک ناجی

قهرمان علمی ما که نیلز هنریک دیوید بور (Niels Henrik David Bohr) نام دارد، 7 اکتبر سال 1885 در شهر کپنهاگ دانمارک در خانواده ای فرهیخته به دنیا آمد. پدرش استاد فیزیولوژی دانشگاه کپنهاگ و مادرش از خانواده ای سرشناس در عرصه اقتصاد و سیاست بود. نیلز با این که در مدرسه عملکرد خوبی داشت، هیچ گاه شاگرد اول نشد. او معمولا در کلاس بیست نفری شاگرد سوم یا چهارم بود. نیلز به همه درس ها علاقه داشت اما ریاضی و فیزیک درس های محبوب او بودند.

بور در سال ۱۹۰۳ در رشته فیزیک دانشگاه کپنهاگ نام نویسی کرد. در دوران دانشجویی با آزمایش هایی که روی کشش سطحی آب و محاسبه نیروی آن انجام داد، توانست مدال طلای آکادمی علوم و ادبیات دانمارک را به دست آورد. در سال ۱۹۱۱ با نوشتن رساله ای درباره نظریه الکترونی فلزات، دکترای خود را دریافت کرد. تز دکترای او که به نارسایی های فیزیک کلاسیک در توضیح رفتار ماده در سطح اتمی می پرداخت، آغاز تمرکز او بر موضوع تحقیق علمی در بقیه زندگی اش بود.

بور برای گذراندن دوره پژوهشی فوق دکترا، ابتدا به دانشگاه کمبریج رفت تا زیر نظر جی جی تامسن به تحقیق بپردازد. اما تامسن علاقه چندانی به کار او نشان نداد. بور که نظریه اتمی رادرفورد را نیز اغوا کننده یافته بود، در سال ۱۹۱۲ تصمیم گرفت به دانشگاه منچستر برود که رادرفورد مدیریت آزمایشگاه فیزیک اتمی آن را بر عهده داشت.

رادرفورد فورا به تابناکی اندیشه بور پی برد و از همان آغاز به تشویق او پرداخت. رادرفورد سرمشق حیات علمی بور شد. آن دو از همان نخستین دیدار با یکدیگر دوست شدند و تا آخر عمر دوستانی نزدیک باقی ماندند. اما قرار بود به خاطر نجات جهان هم که شده، نیلز بور به جنگ مدل اتمی دوست صمیمی و استاد الهام بخش خود برود.

عاشق تئوری های شکست خورده

همکاران بور، قوی ترین خصیصه فکری او را شناسایی موارد شکست تئوری ها و بهره گیری از آن می دانستند. بور عاشق مدل اتمی رادرفورد شده بود، نه فقط برای موفقیت های آن بلکه همچنین برای نقص بزرگی که در آن وجود داشت، نقصی که همه دانشمندان در رفع آن ناکام مانده بودند.

همان طور که گفتیم اتم رادرفورد شبیه یک منظومه شمسی بود که هسته با بار مثبت در مرکز آن قرار داشت و الکترون ها که دارای بار منفی بودند، مثل سیارات به دور آن می چرخیدند. اما طبق قوانین حاکم بر ذرات باردار در الکترودینامیک کلاسیک، الکترونی که در یک مدار می چرخد، باید از خود نور گسیل کند و با از دست دادن انرژی خود در کسری از ثانیه روی هسته سقوط کند. با فرض درستی مدل رادرفورد، تمام مواد باید فروپاشیده و جهان نابود می شد. اینجا بود که قهرمان ما توانست با ارائه راهکاری نبوغ آمیز جهان را از یک نابودی فرضی و دانشمندان را از یک ناکامی واقعی نجات دهد.

حفظ جهان در وضعیت مانا

دیگر فیزیکدانان سعی داشتند که نقص مذکور را به روش های فیزیک کلاسیک حل کنند. اما بور پی برد که برای حل این مشکل به یک تغییر نگرش بنیادی (Paradigm Shift) نیاز است. در سال 1900 پلانک خاصیت کوانتایی و ناپیوسته انرژی را کشف کرد و در سال 1905 اینشتین آن را در نظریه فوتوالکتریک خود به کار برد. با این حال هنوز کسی نمی دانست که این ویژگی کوانتومی چه نقشی ممکن است در ساختار درون اتم ایفا کند.

بور این جسارت و نبوغ را داشت که با یک تغییر نگرش اساسی، فرض کند که الکترون ها تنها می توانند در فواصل دقیقا تعریف شده و معینی از هسته به دور آن بچرخند. مثلا در اتم هیدروژن (که فقط دارای یک الکترون است)، الکترون می تواند در مدارهای مجاز n=1 یا n=2 یا n=3 و غیره گردش کند اما نمی تواند در فاصله میان دو مدار بچرخد.

سطح انرژی هر مدار ثابت است و انرژی مدارها نسبت به همدیگر با ضریب صحیحی از حاصلضرب ثابت پلانک در فرکانس تابش گسیل شده، تغییر می کند. بزرگ ترین دستاورد بور ارائه این فرض بود که الکترون ها نکان های انتظار یا «حالت های مانا» دارند که در آنها الکترون ها تابش نمی کنند و انرژی ثابت و پایدار دارند. جایزه نوبل فیزیک در سال 1922 به پاس پژوهش های او در مورد ساختار اتم، به نیلز بور تعلق گرفت. در سال های بعد با توسعه نظریه کوانتوم، مدل اتمی بور با اصلاحات انجام شده به «مدل اتمی کوانتومی» فعلی تکامل پیدا کرد.

آغاز عصر غرایب کوانتومی

طبق نظریه اتمی بور، الکترون ها در حالت های مانا در مدارهای مدور یا بیضی مطابق همان قوانین نیوتن و کپلر حرکت می کنند. اما وقتی الکترون از یک وضعیت مانا به حالت مانای دیگری منتقل شود، این عمل نه به صورت یک حرکت پیوسته نیوتنی بلکه به صورت یک «جهش آنی» صورت می گیرد که تحت تسلط مکانیک کلاسیک نیست. جهش آنی از یک مدار به مدار دیگر، از جمله عجایب و غرایب پرشمار نظریه کوانتومی بود که با فهم و درک روزمره ما از حرکت کاملا ناسازگار است.

این گونه فرضیات نامأنوس منتقدان خاص خود را داشت که شاید شاخص ترین آنها آلبرت اینشتین بود که بیش از سی سال و تا پایان عمر خود، به بحث و مناظره با بور پرداخت.

در مورد ابهامات و عجایبی که در نظریه کوانتومی برای درک عینی اتفاقات داخل اتم وجود داشت، نیلز بور معتقد بود که «وقتی که بحث اتم در میان باشد، زبان را فقط به آن صورت می توان به کار برد که در شعر به کار می رود. شاعر نیز نمی خواهد وقایع را دقیق بیان کند، بلکه می خواهد در ذهن شنونده تصاویری تولید کند و ارتباطات ذهنی برقرار کند.»

این نوع سخنان و ابهامات رازآلود نظریه کوانتومی، بستری مناسب برای افسانه پردازی شد به طوری که انبوهی از نویسندگان علمی - تخیلی، شبه علمی، علوم غریبه، هنر، عرفان و روانشناسی، ادبیات کوانتومی را در آثاری چون «تائوی فیزیک»، «اندیشه های کوانتومی مولانا»، «شفای کوانتومی» و «اسرار موفقیت کوانتومی» به کار گرفتند!

تلاش دوباره برای نجات جهان از یک فروپاشی دیگر

بور که هم از نظر علمی و هم تا حدودی به طور عملی در پروژه منهتن و تولید بمب اتمی نقش داشت، از همان آغاز نگران عواقب هولناک رقابت کشورها برای تولید تسلیحات هسته ای بود. پس از خاتمه فاجعه بار جنگ جهانی دوم، او سعی کرد که از طریق مذاکره با سران قدرت های جهانی مانع رقابت مرگبار برای تولید سلاح های هسته ای شود. هر چند تلاش های فداکارانه او نتوانست مانع چنین رقابتی شود اما به عنوان الگویی قهرمانانه برای احساس مسئولیت انسانی در برابر سوء استفاده سیاسی از دستاوردهای علمی برای دانشمندان جهان، برای همیشه ماندگار شد. نیلز بور در 18 نوامبر سال 1962 در 77 سالگی در کپنهاگ درگذشت.

جدال غول ها بر سر جهان محتمل

اینشتین به عدم قطعیت وضعیت احتمالاتی نظریه و این که تعبیر بور (تعبیر کپنهاگی) از مکانیک کوانتومی هیچ توصیف فیزیکی و عینی از اتفاقاتی که درون اتم روی می دهد ارائه نمی داد، انتقاد اساسی داشت و معتقد بود که «خدا جهان را با تاس اداره نمی کند.» اما پاسخ بور نیز این بود که «ما نباید برای نحوه اداره جهان برای خداوند تعیین تکلیف کنیم.» تا اینجا، خدای تاس باز مقبولیت بیشتری دارد و به نظر می رسد جهان به مراتب پیچیده تر و پیش بینی ناپذیرتر از آن چیزی است که اینشتین تصور می کرد.

اصل مکملیت

بر اساس اصل مکملیت، دو وضعیت مانعه الجمع مثل دوگانگی موج - ذره با دو شیوه متمایز اما مکمل با یکدیگر قابل درک است. این دو شیوه متمایز تکمیل کننده یکدیگرند و فقط با کنار هم نهادن آنها می توان محتوای ادراکی پدیده ای را به طور کامل آشکار کرد.

تغییر کپنهاگی

بر اساس تعبیر کپنهاگی نظریه کوانتومی (که بور بزرگ ترین مدافع آن بود)، جهان فیزیکی از دو بخش سیستم مشهود (جسم یا شیء فیزیکی) و سیستم ناظر (شامل ابزار آزمایشگاهی و ناظر انسانی) تشکیل شده است. نظام ناظر (سیستم مشاهده کننده) از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی کرده، اما نظام منظور (سیستم مشاهده شونده)، تابع8 قوانین نظریه کوانتومی است. بنابراین هیچ گاه با قطعیت نمی توان گفت ذره ای از ذرات درون اتمی در یک لحظه مفروض، در کجاست و یک فرایند فیزیکی دقیقا به چه شکل رخ خواهد داد. زیرا طبق اصل عدم قطعیت، در نظریه کوانتومی تعیین دقیق مکان و اندازه حرکت ذره در یک لحظه مفروض ممکن نیست.