صد سال پیش فیزیک کوانتومی پای به جهان گذاشت

بخش دوم و پایانی

تاریخ علم کوانتوم در تازه ترین شماره هفته نامه اشپیگل
هایزنبرگ یک تخم‌کوانتومی بزرگ گذاشت

یادآوری از بخش اول: در نخستین دهه‌های قرن بیستم، دانش فیزیک با انقلابی بنیادین روبه‌رو شد. نظریه‌ی کوانتوم و نسبیت نه‌تنها شالوده‌ی درک علمی از طبیعت را دگرگون کردند، بلکه بنیان‌های فلسفی مفاهیمی چون واقعیت، علیت، و مکان-زمان را نیز به لرزه انداختند. در این میان، فیزیک‌دانانی همچون آلبرت اینشتین، نیلز بور، اروین شرودینگر، ورنر هایزنبرگ، و ولفگانگ پائولی، نه تنها معماران بزرگ این انقلاب علمی بودند، بلکه هر یک در سطحی عمیق‌تر، با پرسش‌هایی بنیادین درباره‌ی معنای هستی، رابطه‌ی انسان با جهان، و جایگاه ذهن در ساختار واقعیت درگیر شدند. آنان دغدغه‌هایی ژرف درباره‌ی معنای واقعیت، نقش مشاهده‌گر، و حتی جایگاه ذهن در تبیین طبیعت داشتند. برخی، مانند پائولی، گامی فراتر نهاده و وارد گفت‌وگویی میان‌زمینه‌ای با روان‌شناسانی چون کارل گوستاو یونگ شدند، تا شاید پلی میان ماده و معنا، فیزیک و روان‌شناسی، علم و اسطوره بنا کنند.
در این میان، تأملات آن‌ها نه‌تنها مرزهای دانش را گسترش داد، بلکه افق‌های تازه‌ای در فهم رابطه‌ی انسان با جهان گشود. این اندیشه‌ورزی‌ها نه صرفاً تأملاتی حاشیه‌ای، بلکه تلاشی بودند برای یافتن زبانی تازه که بتواند پیچیدگی جهان را در نسبت با آگاهی انسانی به‌درستی بیان کند. در دورانی که علم، فلسفه، و عرفان دیگر نمی‌توانستند به‌طور مجزا و بی‌ارتباط با یکدیگر باقی بمانند، این دانشمندان نقشی میانجی میان این ساحت‌ها بر عهده گرفتند. آنان دریافته بودند که رازهای ژرف جهان را نه صرفاً با معادلات، بلکه گاه با نمادها، روایت‌ها، و اشراق‌های شهودی باید دریافت.
در دل این تحول، نام ورنر هایزنبرگ بیش از همه می‌درخشد. جوانی ۲۳ ساله که در خلوت جزیره‌ی بادخیز هِلگلند، نخستین فرمول‌بندی از مکانیک کوانتومی را به جهان معرفی کرد. این دستاورد، که به گفته‌ی خودش «با سرگیجه و ترس» همراه بود، نه‌تنها به مفاهیم کلاسیک علیت و قطعیت پایان داد، بلکه دری به جهانی تازه گشود که در آن واقعیت بر پایه‌ی احتمال بنا شده است. اما برخلاف روایت‌های اسطوره‌ای، این انقلاب علمی نه نتیجه‌ی نبوغ فردی، که ثمره‌ی گفت‌وگوی فکری پرشور و همکاری نزدیک جمعی از نوابغ جوان در مراکز علمی اروپا بود.
مقاله‌ی پیش‌رو روایتی است دقیق و شورانگیز از پیدایش مکانیک کوانتومی، از روزهای جنجالی و پرابهام آغاز آن تا زمانی که نظریه‌ای تازه، هم مبنای ساخت بمب اتم شد و هم زمینه‌ساز ترانزیستور و فناوری‌های امروز. اینجا، علم فقط مسئله‌ی اعداد و معادلات نیست. داستانی است از آدم‌ها، جاه‌طلبی‌ها، دوستی‌ها، جدل‌ها و نگاهی نو به واقعیتی که دیگر هرگز آن‌گونه که می‌پنداشتیم، ساده و قابل پیش‌بینی نبود.

ادامه مقاله:

در این هنگام، ناگهان مقاله‌ای از کشور سوییس وارد این بحث شد. اروین شرودینگر، که با ۳۸ سال سن دیگر از دوران «پسران» گذشته بود، معادله‌ای یافته بود که مدعی بود هم‌پایه‌ی دستگاه فرمول‌نویسی هایزنبرگ است. به‌نظر می‌رسید که شاید هنوز بتوان از وقوع یک دگرگونی رادیکال در فیزیک جلوگیری کرد. معادله‌ی شرودینگر، بی‌نیاز از ماتریس‌های مرموز، مانند یک معادله‌ی حرکتی عادی به‌نظر می‌رسید. اینشتین احساس کرد به قلمروی آشنایی بازگشته است. اما خیلی زود پرسش‌های قدیمی دوباره سر برآوردند. چرا که شرودینگر با معادله‌اش گرچه حرکتی را توصیف می‌کرد، اما روشن نمی‌ساخت که دقیقاً چه چیزی در حال حرکت است. او آن را «پسی» (ψ) نامید، بی‌آن‌که بتواند واقعاً توضیح دهد این چیست.

پاسخ را ماکس بورن، فیزیک‌دان اهل گوتینگن، ارائه داد: پسی (Ψ) احتمال یافتن یک الکترون در مکان مشخصی را نشان می‌دهد. بنابراین، الکترون‌ها در اتم بر مدارهایی از پیش تعیین‌شده نمی‌چرخند، بلکه بیشتر همچون ابرهایی از احتمال در اطراف پراکنده‌اند. یک ذره‌ی منفرد ممکن است در مکان‌های متعددی حضور داشته باشد، اما این‌که دقیقاً در کجا قرار دارد، قابل تعیین قطعی نیست.

حتی برای پیشگامان فیزیک کوانتومی نیز این امر عجیب و غیرعادی به‌نظر می‌رسید. در هیچ نظریه‌ی علمی‌ای پژوهشگران به‌اندازه‌ی فیزیک کوانتوم چنین شدید و مداوم درباره‌ی معنای آن اختلاف نداشته‌اند. بلوم چنین توضیح می‌دهد.:«علت این است که مکانیک کوانتومی از اساس ناقص است».

در این نظریه چیزی کم است که برای درک فرایندهای اتمی اهمیت اساسی دارد: فرایند اندازه‌گیری. ابر احتمال (Wahrscheinlichkeitswolke) که با معادله‌ی شرودینگر توصیف می‌شود، اگرچه واقعی است، اما نادیدنی است. هرکسی بخواهد آن را اندازه‌گیری کند، ناگزیر باید در سیستم دخالت کند. و با این کار، سیستم را تغییر می‌دهد. در لحظه‌ی اندازه‌گیری، الکترون خود را درگیر می کند و یکی از حالت‌های ممکن را اختیار می‌کند. در نتیجه، ابر احتمال ناگهان به یک نقطه تبدیل می‌شود.

در سال ۱۹۲۷، هایزنبرگ این پارادوکس را به صورت یک فرمول درآورد که برای بسیاری به پیام اصلی فیزیک کوانتوم بدل شده است. در اصل عدم قطعیت خود نوشت که کمیت‌های اتمی را نمی‌توان با دقت دلخواه اندازه‌گیری کرد. هرکس بخواهد مکان یک ذره را با دقت بالا تعیین کند، اطلاعاتی درباره‌ی سرعت آن را از دست می‌دهد. و بالعکس، اگر کسی سرعت آن را با دقت زیادی اندازه بگیرد، دیگر نمی‌تواند دقیقاً بگوید که ذره در آن لحظه کجا قرار دارد.

اینشتین هرگز با این موضوع کنار نیامد. نقص این نظریه برای او آزاردهنده بود. او در نامه‌ای به ماکس بورن نوشت که مکانیک کوانتومی ممکن است شایسته‌ی احترام باشد، اما «صدایی درونی به من می‌گوید که این هنوز یاکوبِ واقعی نیست» (کنایه از اینکه هنوز حقیقت اصلی نیست).

حتی شرودینگر نیز در طول زندگی‌اش گستره‌ی کشف خود را به‌طور کامل درک نکرد. او از اینکه معادله‌اش را به‌عنوان بیانگر احتمال در نظر بگیرند، سر باز می‌زد. برای بیان تردیدهای خود در قالب تصویری ملموس، گربه‌ای را ابداع کرد که اکنون از خود او مشهورتر شده است.

او برای آن ‌که فلسفه‌ی مبتنی بر قانون احتمالات همکارانش را بی‌معنا نشان دهد، چنین آزمایش ذهنی‌ای را طراحی کرد: اگر واقعاً ممکن باشد که یک اتم با احتمال پنجاه درصد در دو حالت مختلف به‌طور هم‌زمان وجود داشته باشد، پس باید بتوان ماشینی مرگبار ساخت که تنها در صورتی فعال شود که اتم در یکی از آن دو حالت باشد، و نه در حالت دیگر. اکنون تصور کنید که یک گربه همراه با این ماشین در یک محفظه‌ی فولادی محبوس شده است. شرودینگر چنین استدلال می‌کرد: بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی، تا زمانی که کسی درِ محفظه را باز نکند، این حیوان هم‌زمان هم زنده خواهد بود و هم مرده.

شرودینگر گربه‌ی معروفش را در سال ۱۹۳۵ به حالت زندگی-مرگ خود حیات بخشید. در آن زمان، آدولف هیتلر در آلمان به قدرت رسیده بود، جامعه‌ی پیش‌تر صمیمی فیزیک‌دانان کوانتوم از هم پاشیده بود، اینشتین به آمریکا گریخته بود و پائولی در زوریخ اقامت گزیده بود. هایزنبرگ با وجود سلطه‌ی نازی‌ها در لایپزیگ، و بعدتر در برلین، ماند.

واقعیت سیاسی به جامعه‌ی کوچک و بین‌المللی‌ای رسیده بود که در دل اروپایی از هم‌گسیخته، درگیر بحث‌های مابعدالطبیعی درباره‌ی علیت و احتمال بود. اما مدت زیادی نگذشت که این بحث‌ها خود به واقعیت سیاسی گره خوردند.

در نگاه به گذشته، شگفت‌انگیز است که فیزیک‌دانان هرگز به این فکر نکردند که آیا یافته‌هایشان می‌تواند کاربرد عملی داشته باشد. آن‌ها درگیر این بودند که نقش بخت و تصادف در ساختار طبیعت چیست، یا اینکه آیا یک موج می‌تواند هم‌زمان ذره هم باشد یا نه. اما به کاربردهای فنی نمی‌اندیشیدند.

با این حال، باید برایشان روشن می‌بود که هرکس بتواند جهان را در ژرف‌ترین لایه‌هایش محاسبه کند، می‌تواند آن را دگرگون کرده و در نتیجه، مهار کند. فناوری لیزر، سلول‌های خورشیدی، پژوهش‌های دارویی، رایانه‌ها و ماهواره‌ها — دنیای مدرن بر پایه‌ی قوانین مکانیک کوانتومی بنا شده است. با این حال، به نظر نمی‌رسد که بنیان‌گذاران این فیزیک نوین به چنین چیزی فکر کرده باشند. تاریخ‌نگار بلوم می‌گوید: «این موضوع اصلاً بخشی از گفتمان آن‌ها نبود.»

اما این وضعیت در دسامبر ۱۹۳۸ ناگهان تغییر کرد. در آن زمان، اتو هان (Otto Hahn) در مؤسسه‌ی شیمی قیصر ویلهلم در برلین نمونه‌ای از اورانیوم را با نوترون‌ها بمباران کرد و نشان داد که در این فرآیند عناصر دیگری پدید می‌آیند. همکار او، لیزه مایتنر (Lise Meitner)، که آن زمان در تبعیدی در سوئد به سر می‌برد، دریافت که چه رخ داده است: هان موفق به شکافتن اتم‌ها شده بود.

این‌بار دانشمندان درباره‌ی پایداری ماده یا ماهیت جسمانیت (Stofflichkeit) بحث نکردند. فوراً دریافتند: این رخداد دارای اهمیت عملی است. منبعی از انرژی گشوده شده بود که بالقوه می‌توانست سودمند باشد، اما همچنین مخرب.

کمتر از هشت ماه پس از آنکه نخستین اتم در برلین شکافته شد، آلبرت اینشتین نامه‌ای را امضا کرد که توسط همکار فیزیکدانش لئو سیلارد نوشته شده، و به نشانی به رئیس‌جمهور آمریکا، فرانکلین روزولت ارسال گردید. او در این نامه هشدار داد که آلمانی‌ها اکنون امکان ساخت بمب‌های اتمی را دارند. یک ماه بعد، هیتلر جنگ جهانی دوم را آغاز کرد.

از آن پس، مکانیک کوانتومی دیگر فقط پاسخی برای پرسش فاوستی نبود که «چه چیزی در درون‌ترین لایه‌ی جهان آن را در کنار هم نگه می‌دارد؟»، بلکه راه را به سوی سلاحی با نیروی ویرانگر بی‌حد و اندازه نیز می‌گشود. این موضوع را فیزیک‌دانانی که در آلمان مانده بودند، به‌خوبی می‌دانستند. و آن‌هایی که در آزمایشگاه‌های متفقین کار می‌کردند، نیز همچنین.

بی‌گناهی دیگر از دست رفته بود. دیداری که در سپتامبر ۱۹۴۱ در یک پارک در کپنهاگ صورت گرفت، به نمادی از کشمکش‌های وجدانی بدل شد که جنگ بر فیزیک‌دانان کوانتوم تحمیل کرده بود. ورنر هایزنبرگ در آن زمان نقشی کلیدی در پروژه‌ی اورانیوم آلمان داشت. او با بهانه‌ای به کپنهاگ سفر کرده بود. هدفش: بی‌آنکه نازی‌ها متوجه شوند گفتگو با آموزگار، همکار و دوستش نیلز بور.

جزئیات دقیق گفت‌وگو ناشناخته مانده، و تاریخ‌نگاران هنوز درباره‌ی آن بحث می‌کنند. تنها چیزی که می دانیم، آن چیزی است که هایزنبرگ می‌خواست بگوید و آنچه بور درک کرد. هایزنبرگ بعدها ادعا کرد که قصد داشته با بور به نوعی از پیمان خودداری به توافق برسد: پژوهشگران هسته‌ای هر دو سوی جنگ می‌بایست بر سیاست‌مداران فشار آورند که بمب نسازند. اما هایزنبرگ ظاهراً با طفره‌رفتن و بیان نامشخص، مقصودش را به‌درستی بیان نکرد.

بور دیگر شاگرد سابق خود را نمی‌شناخت. او در برابر خود دانشمندی را می‌دید که در خدمت نازی‌ها قرار داشت و ظاهراً ساخت یک بمب اتمی در آینده‌ای نزدیک را کاملاً ممکن می‌دانست. در هر صورت، این برداشت بور، چهار سال بعد به طرز هولناکی تأیید شد: قارچ آتشی که در ارتفاع ۱۳ کیلومتری بر فراز شهر ژاپنی هیروشیما برخاست، صحت پیش‌بینی هایزنبرگ را نشان داد.

---

نظر خوانندگان:

---

■ با سپاس فراوان از آقای طباطبايی عزيز که زحمت کشيده و ترجمه اين مقاله مهم را در اختيار هموطنان علاقه مند به مباحث علمی گذاشته‌اند.
تنها چيزی که من در اين تاريخچه مختصر و مفيد فيزيک کوانتومی نديدم، نقش رابرت اوپنهايمر در اين تاريخ به غايت جالب و پيچيده بود. ما بيشتر اوپنهايمر را به خاطر نقش بز جسته اش در توليد نخستين بمب های اتمی می شناسيم. اما او (تا جايی که بضاعت مختصر علمی من اجازه می دهد) در پرداخت يکی از تئوری های مهمی که مرز بالای جرم ستاره های نويترونی را مشخص می کرد نقش برجسته‌ای داشت و نشان داد که بالاتر از اين حد جرمی اين ستاره‌ها در هم فرو می‌ريزند و باعث تشکيل حفره های سياه (Black holes) خواهند شد. اگر حافظه‌ام ياری کند اين مرز تا حدود سه بار جرم خورشيد خودمان است. دست روزگار اما او را به عرصه ديگری کشانيد، نخست رهبری پروژه منهتن و ساخت بمب‌های اتمی که در هيروشيما و ناکازاکی به کار گرفته شد و سپس گرفتارشدن در چرخه بازجويی‌های پليس فدرال آمريکا در دوره شوم مک کارتنی به جرم تمايلات سوسياليستی او و برادرش، داستانی که در فيلم درخشان کريستوفر نولان به تصوير در آمده است. علی رغم استعداد بی‌همتای او و توانايی‌های نظری او در فيزيک مدرن او نتوانست در پرداخت تئوری‌های فيزيک کوانتومی نقش چشمگيری داشته باشد.
من البته رشته تحصيلی‌ام فيزيک نيست و تنها يک علاقه مند آماتور به اين رشته علمی هستم، از اينرو اگر حرف‌هايم غلط از آب در بيايد (که بعيد هم نيست) پيشاپيش پوزش می‌خواهم. با سپاس مجدد از زحمات شما برای ترجمه اين مقاله و با آرزوی اينکه باز هم شاهد کار های شما در زمينه علم باشيم.
وحيد بمانيان

---

■ دوست گرامی آقای وحید بمانیان، سخن شما کاملاً درست است. اشپیگل می‌بایست با توجه به جایگاه وی در پروژه منهتن اشاره‌ای هم به رابرت اوپنهایمر می‌کرد، بخصوص که پدر و مادر وی از آلمان به ایالات متحده مهاجرت کرده بودند و در هر حال وی از تبار آلمانی بود. اما این غفلت باعث شد که من به دنبال مقاله‌ای جالب و آموزنده در باره رابرت اوپنهایمر باشم و سعی می‌کنم هرچه زودتر چنین مطلبی را پیدا کرده و ترجمه کنم. باز هم از توجه شما به توجمه‌های خودم تشکر می کنم.
علی محمد طباطبایی

---