نگاهی کوتاه به سرگذشت فیزیک کوانتوم
جي . رابرت . اوپنهايمر در كتاب علم و فرزانگي در رابطه با سرگذشت كوانتوم چنين مي گويد : « شايد هرگز تمامي تاريخ اين حادثه روايت نشود . براي عرضه كردن آن هنري به آن اندازه توانا لازم است كه براي روايت كردن سرگذشت اوديپوس يا كرامول ضرورت داشته است ، ولي اين حادثه در قلمروي چندان دور از تجربه هاي روزانه ي ما صورت پذيرفته است كه كم تر احتمال آن مي رود كه شاعر يا مورخي از آن با خبر شود . »
اين داستان ، سرگذشت انقلابي پر تلاطم است ؛ سرگذشت فروپاشي و انقراض فيزيكي از خود راضي است كه ساليان دراز بر حوزه اي محدود فرمان رانده بود و سرگذشت دوران فطرتي است كه نابودي اش را از پيش تناقضات دروني اش رقم زده بودند ، و سرانجام سرگذشت ظهور توفان آساي نظامي از هفت آب گذشته يعني مكانيك كوانتومي است .
درآمد
درآمد
در آزمايشگاهي كاملاً تاريك ، ماشيني الكتريكي قرار گرفته است و روي آن دو كره ي فلزي سوار شده است . اين همان ماشين متعارف ايجاد جرقه هاي الكتريكي است كه زائده اي كوچك هم بر آن اضافه شده است .دو صفحه ي فلزي با ميله هاي رساناي باريكي به اين كره ها متصل شده اند .
در روي ميز ديگر ، حلقه ي ساده ي تقريباً از سيمي سخت و محكم بر پايه اي عايق سوار شده است . از نظر آزمايشگر شكاف كوچكي كه در اين حلقه است چزء اصلي دستگاه به شمار مي آيد . اگر درست حدس زده باشد ، در همين جا ست كه راز از پرده بيرون خواهد افتاد .
همه چيز آماده است ، آزمايشگر كليدي را وصل مي كند تا جرقه ها با سر و صدا بين دو كره رد و بدل شوند . او از جرقه ها روي بر مي گرداند و مدتي منتظر مي ماند تا چشمش به تاريكي عادت كند . آيا اين كه او مي بيند شكاف حلقه از فروغ ضعيفي پر شده است حقيقت دارد يا تصوري بيش نيست ؟ پاسخ دادن به اين پرسش آسان نيست . ممكن است فقط بازتاب نوري باشد . به آرامي پيچي را كه دو سر حلقه را به هم نزديك مي كند مي چرخاند . با باريك تر شدن شكاف ، فروغ درخشان تر مي شود . باز هم دوسر حلقه را به هم نزديك تر مي كند تا سرانجام تقريباً با هم تماس پيدا مي كنند . حال ديگر ترديدي باقي نمانده است .
به همين سادگي بود كه آدمي براي نخستين بار زيركانه به وجود سيگنال راديويي پي برد .
اين واقعه در سال 1887 روي داد و آزمايشگر ، يك فيزيكدان برجسته ي آلماني بود به نام هاينريش هرتز .
به همين سادگي بود كه آدمي براي نخستين بار زيركانه به وجود سيگنال راديويي پي برد .
اين واقعه در سال 1887 روي داد و آزمايشگر ، يك فيزيكدان برجسته ي آلماني بود به نام هاينريش هرتز .
ارزش اقتصادي اين كشف بي اندازه بود . پس چرا انسان قابلي چون هرتز امتياز هاي بهره برداري از آن را براي ماركوني واگذاشت ؟
چيزي كه هرتز را به انجام آزمايش هاي دوران سازش واداشت ، به هيچ روي فكر ابداع چيزي عملي چون تلگراف راديويي ( تلگراف بي سيم ) نبود . شايد تلگراف راديويي هم مهم ترين حاصل اين آزمايش ها به شمار نمي رفت . هرتز سدي را مي شكست كه مدتي مديد دانشمندان را از پيشرفت بازداشته بود : آزمون درستي نظريه اي رياضي كه به نور ، الكتريسيته و مغناطيس مربوط مي شد و سه سال پيش تر از سوي جيمز كلرك ماكسول ، فيزيكدان اسكاتلندي ، مطرح شده بود . و ستايش اين آزمايش از سوي همگان به دليل اين بود كه هرتز توانسته بود اين واقعيت را به طريق تجربي اثبات كند . اما مقدر بود كه اين پديده ي ظاهراً پيش پا افتاده و بي اهميت ، در دست اينشتين نقش خطيري در انقلاب كوانتومي بازي كند .
براي آن كه ارزش كار ماكسول و هرتز و تمامي سرگذشت كوانتوم را بفهميم ، بايد نخست نگاهي كوتاه به بعضي از نظريه هايي بپردازيم كه آدمي درباره ي نور پرداخته است . گرچه در دوران معاصر ، دانشمندان يهودي برجسته اي وجود داشته اند ، ولي حكماي عبراني باستان مايه ي چنداني در پژوهش علمي از خود نشان ندادند . ايشان با اداي اين گفته كه " و خدا گفت نور باشد ؛ و نور شد " ، از كنار مسئله ي نور به سرعت گذشتند تا به مسائل مهم تري بپردازند . نور در نزد آن ها چيزي بيش از ضد تاريكي ، و شرطي براي توانايي ديدن نبود .
اما يونانيان با شم علمي قوي تري ، ايده ي نويني را با اهميت بسيار مطرح كردند . آنان درك كردند كه بايد چيزي وجود داشته باشد كه در فاصله ي ميان چشمان ما ، چيز هايي كه مي بينيم ، و چراغ هايي كه آن ها را مي افروزند ، پلي ارتباطي برقرار كند . لذا به نور واقعيتي عيني بخشيدند و به مطالعه اش برخاستند ونظريه هايي پيرامون آن پرداختند . هنگامي كه دانشمند امروزي از نور سخن مي گويد يك چنين چيزي در ذهن خود دارد . تمايز ميان صرف قدرت ديدن ، و نور عيني تمايزي مهم است ، درست مانند تمايزي احساسي كه از اصابت سنگ به آدمي دست مي دهد و خود سنگ كه فضا را مي پيمايد تا به هدف اصابت كند .
متأسفانه ، يونانيان پس از آغازي چنين درخشان ، درگير نظريه هاي متضاد شدند . يكي از اين نظريه ها مي گفت نور چيزي است كه مانند آبي كه از مجرايي تنگ بيرون مي آيد ، از چشم ها جريان پيدا مي كند . بر پايه ي اين ايده ، وقتي يك شيء را مي بينيم كه اين جريان نور را به سويش متوجه كنيم تا با آن برخورد كند ؛ همان طور كه مثلاً يك نابينا با پيش بردن دست ها و لمس كردن چيزي ، آن چيز را « مي بيند » . اين نظريه اين نكته را توضيح مي دهد كه هرچيز را تنها هنگامي مي بينيم كه روبه رويمان باشد ، و نيز اين كه با چشمان بسته نمي توانيم ببينيم ؛ اما نمي تواند توضيح دهد كه مثلاً چرا در تاريكي نمي توانيم ببينيم . در گيرودار پاسخ گويي به اين ايراد ها ، افلاطون فيلسوف نظريه اي پرداخت كه بي گمان ، در فراواني ساز و كارهاي زائد ، بي همتاست . او برهم كنشي سه گانه ميان سه جريان مختلف قائل بود ، يكي از چشمان ، يكي از آن چه ديده مي شود ، و يكي از چراغي كه آن را روشن مي كند ! مشكل افلاطون در كج نهادن خشت اول بود . بر مبناي ايده هاي جديد ، هر شيء به اين علت ديده مي شود كه نور از آن به چشم ما وارد مي شود نه اين كه از چشمان خارج شود ، و جالب اين جاست كه اين نكته ، يكصد سال پيش از افلاطون ، از جانب فيثاغورث بزرگ ، با قوت تمام مطرح شده بود . نظريه ي فيثاغورثي ساده است . بنابراين نظريه ، نور چيزي است كه كه از هر جسم درخشاني در تمام جهات جريان پيدا مي كند و پخش مي شود ، فقط در برابر موانع فوراً به عقب برمي گردد . اگر نور ، سرانجام به طور تصادفي وارد چشمان شود ، در ما احساس ديدن چيزي را به وجود مي آورد كه نور در واپسين مرحله از روي آن جهيده است .
اما يونانيان با شم علمي قوي تري ، ايده ي نويني را با اهميت بسيار مطرح كردند . آنان درك كردند كه بايد چيزي وجود داشته باشد كه در فاصله ي ميان چشمان ما ، چيز هايي كه مي بينيم ، و چراغ هايي كه آن ها را مي افروزند ، پلي ارتباطي برقرار كند . لذا به نور واقعيتي عيني بخشيدند و به مطالعه اش برخاستند ونظريه هايي پيرامون آن پرداختند . هنگامي كه دانشمند امروزي از نور سخن مي گويد يك چنين چيزي در ذهن خود دارد . تمايز ميان صرف قدرت ديدن ، و نور عيني تمايزي مهم است ، درست مانند تمايزي احساسي كه از اصابت سنگ به آدمي دست مي دهد و خود سنگ كه فضا را مي پيمايد تا به هدف اصابت كند .
متأسفانه ، يونانيان پس از آغازي چنين درخشان ، درگير نظريه هاي متضاد شدند . يكي از اين نظريه ها مي گفت نور چيزي است كه مانند آبي كه از مجرايي تنگ بيرون مي آيد ، از چشم ها جريان پيدا مي كند . بر پايه ي اين ايده ، وقتي يك شيء را مي بينيم كه اين جريان نور را به سويش متوجه كنيم تا با آن برخورد كند ؛ همان طور كه مثلاً يك نابينا با پيش بردن دست ها و لمس كردن چيزي ، آن چيز را « مي بيند » . اين نظريه اين نكته را توضيح مي دهد كه هرچيز را تنها هنگامي مي بينيم كه روبه رويمان باشد ، و نيز اين كه با چشمان بسته نمي توانيم ببينيم ؛ اما نمي تواند توضيح دهد كه مثلاً چرا در تاريكي نمي توانيم ببينيم . در گيرودار پاسخ گويي به اين ايراد ها ، افلاطون فيلسوف نظريه اي پرداخت كه بي گمان ، در فراواني ساز و كارهاي زائد ، بي همتاست . او برهم كنشي سه گانه ميان سه جريان مختلف قائل بود ، يكي از چشمان ، يكي از آن چه ديده مي شود ، و يكي از چراغي كه آن را روشن مي كند ! مشكل افلاطون در كج نهادن خشت اول بود . بر مبناي ايده هاي جديد ، هر شيء به اين علت ديده مي شود كه نور از آن به چشم ما وارد مي شود نه اين كه از چشمان خارج شود ، و جالب اين جاست كه اين نكته ، يكصد سال پيش از افلاطون ، از جانب فيثاغورث بزرگ ، با قوت تمام مطرح شده بود . نظريه ي فيثاغورثي ساده است . بنابراين نظريه ، نور چيزي است كه كه از هر جسم درخشاني در تمام جهات جريان پيدا مي كند و پخش مي شود ، فقط در برابر موانع فوراً به عقب برمي گردد . اگر نور ، سرانجام به طور تصادفي وارد چشمان شود ، در ما احساس ديدن چيزي را به وجود مي آورد كه نور در واپسين مرحله از روي آن جهيده است .
براي توضيح اين كه نور چگونه فضا را درمي نوردد تا پيامش را به چشمان ما برساند ، همان طور كه مي دانيد دو نظريه ي متفاوت مطرح شد : نظريه ي ذره اي و نظريه ي موجي.
اما كدام يك از اين دو نظريه درست است ؟
اما كدام يك از اين دو نظريه درست است ؟
سر آيزاك نيوتون ، كه تمامي كشفيات بنياني خود را در ديناميك ، گرانش ، حساب ديفرانسيل و انتگرال ، و بسياري ديگر از شاخه هاي علم تنها در دوازده سال فعاليت علمي انجام داد، در خلال آن دوران فرصتي يافت تا در نورشناخت هم به پيشرفت هاي مهمي نائل آيد . او ترجيح داد نظريه ي ذره اي را به كار گيرد ، زيرا پي برد كه انتشار امواج در همه ي راستا ها حركت راست خط نور را توجيه نمي كند . در واقع ، در آن زمان به بسياري ازحقايق دقيق در پيرامون نور كه ظاهراً با تصوير ذره اي جور نبود ، پي برده بودند . اما نبوغ نيوتون با اندك زحمتي بر چنين مشكلاتي چيره شد . آخر كار ، او فقط با كمي پيچيده تر كردن مطلب ، موفق شده بود هرچه را تا آن موقع در مورد نور دانسته بودند ، عملاً توضيح دهد . اما ، اكنون ديگر ذرات او بي اهميت نبودند . حقايقي تجربي او را مجبور كرده بود كه به قدرت بازتابيده شدن اين ذرات ، اوج و حضيض دقيق و شگفتي ببخشد .
هرچند هواداران نظريه ي موجي در زمان نيوتون كم نبودند ، اما در رويارويي با اين نبوغ غول آسا كه در برابرشان قد بر افراشته بود ، شانس پيروزي اندكي داشتند . طراحان نظريه ي موجي ، به رهبري هويگنس ، فيزيكدان هلندي ، پايه هاي اصلي اميد هاي خود را بر اين واقعيت نهاده بودند كه ذرات بايد يكديگر را واجهانند ، در حالي كه تجربه ي واقعي عكس اين مطلب را نشان مي داد ، يعني نشان مي داد كه دو باريكه ي نور بدون تحمل هيچ گونه خسارتي همديگر را قطع مي نمايند . اما ، اين مطلب به تنهايي براي نظريه اي كه با ذرات تپنده ي نيوتون رقابت مي كرد ، شالوده اي سست بود .
پس از مرگ نيوتون ، در حوزه ي نور و شيوه هاي ابداعي نويني كه رياضيات مربوط به حركت موجي را به كار مي گرفت ، كشفياتي تجربي به عمل آمد . نظريه ي ذره اي ، درست به خاطر سادگي و نبوغي كه در آن به كار رفته بود ، روزهاي تاريكي را مي گذرانيد . اين ايراد كه امواج در نزديكي كناره ها خم مي شوند ، هنگامي مطرح شد كه دريافتند امواج نور صرفاً موجك هايي اند به اندازه ي پنجاه هزارم اينچ كه فاصله ي قله اي تا قله ي ديگر آن هاست ؛ زيرا انتشار اين موجك هاي كوچك زياد چشمگير نيست . البته اين موجك ها برد انتشار اندكي دارند ، و مي توان محاسبه كرد كه معني اين انتشار جزئي ان است كه نور نبايد سايه هاي كاملاً شديدي بيندازد ؛ اما الگوي مشخص فريز هايي را در لبه ها ايجاد مي كند . عملاً پي بردند كه اين فريز ها حتي در زمان نيوتون وجود داشته و نيوتون در واقع براي ذكر علتي قانع كننده براي آن ها درمانده بوده است . تمام مدارك جديد ، تجربي يا نظري به طور قطعي از نظريه ي ذره اي كنار گذاشته شد ، و تقريباً صدسال بعد از مرگ نيوتون ، نظريه ي موجي به دست ا.ژ.فرنل فرانسوي به چنان درجه اي از دقت رسيد كه به جاي آن كه رقيبي شكست خورده باشد ، به فرمانروايي بي منازع تبديل شد . فرنل نظريه ي موجي نور را با چنان قدرت و ظرافتي تكامل داد كه هر تجربه ي ظريف و پيچيده اي كه تا آن موقع بازشناخته و انجام شده بود ، مي بايست توضيح خود را در آن بجويد . هنگامي كه استدلال بيشتري مبني بر خطا بودن نظريه ي ذره اي ضرورت پيدا كرد ، در آزمايش تعيين كننده ي ژ.ب.ل.فوكو فرانسوي ، كه بر مبناي آن سرعت نور عملاً در آب اندازه گيري شد ، يافته شد ؛ زيرا در همين جا بود كه اختلاف اين دو نظريه به طور قطعي آشكار شد ؛ نور در خلابا سرعت باورنكردني 186000مايل در ثانيه ( تقريباً 297600كيلومتر در ثانيه ) حركت مي كند . بنا بر نظريه ي نيوتون ، اين سرعت در آب حتي بايد بيشتر باشد . نظريه ي موجي تصريح مي كرد كه اين سرعت ( در آب ) كم تر است . علم مدتي دراز چشم انتظار كسي مانند فوكو باقي ماند تا رويه اي آزمايشي براي اندازه گيري اين سرعت هاي بسيار زياد طراحي كند : هنگامي كه اين آزمايش انجام شد ، نشان داد كه سرعت نور در آب درست همان مقدار كم تر از سرعت نور در هواست كه نظريه ي موجي ابراز داشته بود . ستاره ي نظريه ي ذره اي افول كرده بود ، و از آن پس نور جديدي در آسمان ها درخشيدن گرفت .
دلايل نظريه ي موجي از مدت ها پيش ترديد ناپذيربودند . اما ، اين نظريه هم خواهان دريافت حمايت قطعي تري بود . كوته زماني پس از فرنل ، در علوم كهن و تا حدودي هم راكد الكتريسيته و مغناطيس ، نوزايشي روي داد ، نوزايي چشمگيري در جهت پژوهش هاي تجربي مايكل فاراده ي انگليسي ، كه كشف القاي الكترو مغناطيسي و اختراع دينام توسط او شالوده ي دستاورد هاي تكنولوژي الكتريكي امروزي را تشكيل داد .
فاراده از رياضيات سررشته ي چنداني نداشت . اگر كس ديگري جاي او بود ، در چنين حوزه اي كه رياضيات پيشرفته اي مي طلبيد ، در برابر موانعي كه از ميان برداشتن آن ها ناممكن به نظر مي رسيد ، متوقف و سرخورده مي شد . اما همين براي فاراده موهبتي محسوب مي شد ، زيرا او را مجبور مي كرد كه به تنهايي كار كند و به خاطر توضيح دادن نتايج تجربي در نزد خويش ، يك سيستم تصويري شخصي ابداع كند . اين سيستم ، با سادگي بسيار و در ظاهر صرفاً غير رياضي ، بر مبناي چيزي استوار بود كه فاراده آن را « لوله هاي نيرو » ناميده بود ، و اگرچه در ابتدا رياضي دانان حرفه اي آن زمان به نحوي او را به ريشخند گرفتند ، اين سيستم از جهاتي بر سيستم هاي خود آن ها برتري داشت . اين رياضي دانان رمز و راز آثار الكترومغناطيسي را به طور عمده در توده هاي فلزي و سيم پيچ هايي كه آن آثار را پديد مي آوردند ، جست و جو مي كردند .
فاراده به هيچ يك از اين كارها دست نزد . از نظر او هيچ چيز كم تر از كل عالم مطرح نبود ؛ سيم ، آهنربا ، و ديگر چيز هاي كوچك جزئيات بي اهميتي بودند . اين دو ديدگاه در حالت ساده اي كه آهنربا توده اي براده ي آهن را جذب مي كند ، تفاوت ظريفي پيدا مي كنند . از نظر رياضي دانان چيز هاي اساسي در اين جا ، آهنربا ، آهن و فاصله هاي سانتي متري ميان آن ها بود . از سوي ديگر ، در نزد فاراده ، آهنربا توده ي معمولي ماده نبود بلكه يك اختاپوس عظيم با شكم آهني بود كه شاخك هاي حساس ، ناديدني و فراوان خود را در همه ي جهات تا دورترين حدود عالم مي گستراند . توسط همين شاخك هاي حساس بود كه فاراده ان ها را لوله هاي نيروي مغناطيسي ناميد ، و به همين علت بود كه آهنربا آهن را به سوي خودش مي كشيد . اين شاخك هاي حساس در نزد فاراده چيز هاي مهمي بودند ؛ واقعيت غايي همين ها بودند و نه خرده هاي ناچيز آهن .
فاراده با هر كشف تجربي مهر تأييد جديدي بر ايده هاي خود مي نشانيد . همه ي اين ها تا مدت ها فكر مي كردند لوله هاي نيروي او فاقد آن دقتي است كه يك نظريه ي رياضي طلب مي كند . سال ها بعد توجه ماكسول عميقاً به ايده هاي فاراده جلب شد .
نخستين گام ماكسول ترجمه ي ايده هاي ظاهراً پر راز و رمز فاراده به زبان رياضي آشنا تري بود . اين كار به خودي خود چيز كمي نبود ، اما هنگامي كه انجام شد ايده ي فاراده را به صورت يك جوهر تفكر رياضي نمايان كرد . يك مفهوم فيزيكي نوين مهم ، يعني ميدان ، كه بعداً شالوده ي نظريه ي نسبيت عام اينشتين را تشكيل داد ، از رهگذر همين تلاش ها زاده شد . ميدان الكترو مغناطيسي شكل كم و بيش رياضي پالوده شده ي لوله هاي نيروي فاراده است . به جاي اين كه به فضايي پر از شاخك ها ي مجزا فكر كنيم ، بايد فرض كنيم كه اين شاخك ها از جوهري فراگير ، به نام ميدان الكترومغناطيسي ، ناشي شده اند . بايد ميدان الكترومغناطيسي را به صورت يك واقعيت فيزيكي نهايي بپنداريم ، يعني جمع بندي تمامي آن تنش ها و كشش هاي بي شماري بدانيم كه وقتي آهنربايي آهني را مي ربايد ، وقتي دينامي جريان الكتريكي پديد مي آورد ، وقتي قطاري برقي حركت مي كند ، سرانجام وقتي راديويي صداي ما را به سراسر جهان مي رساند ، مي توانيم آثارشان را مشاهده كنيم . محمل همه جا حاضر اين كشش ها اتر ناميده شده است ، اما وظيفه ي حفظ تمايزي دقيق ميان اتر جديد و اتر نور رساني كه نظريه ي موجي نور آن را طلب مي كرد ، به اتر الكترومغناطيسي محول شد .
ماكسول تنها به اين مطلب بسنده نكرد كه ايده هاي فاراده را به زبان رياضي برگرداند ، بلكه در راه تكامل دادن پيامد هاي اين نظريه و گسترش قلمرو آن ، به تلاش خود ادامه داد . او خيلي زود به تناقض رسيد ، ظاهراً ، همه چيز با نظريه نمي خواند ، اما يافتن چاره ي كار هم آسان نبود . دانشمندان گوناگون ، و از آن ميان خود ماكسول ، به جست و جوي چاره برخاستند . نظريه ي الكتريسيته و مغناطيس هم اكنون چنان پالوده شده و به زبان رياضي در آمده بود كه وقتي ماكسول به كمك شهودي ناب و برپايه ي شباهت هاي بسيار نامطمئن به چاره جويي برخاست ، مجموعه ي معادلاتي را پيشنهاد كرد كه با معادلات پيشين فقط در شكل ظاهر جزئي اختلاف داشتند . اما اين معادلات جديد نه تنها تناقض را از ميان برداشتند ، بلكه مفهوم مهم و جديدي نيز ارائه كردند . بنا بر اين معادلات ، بايد چيز هايي مانند امواج الكترومغناطيسي وجود داشته باشند ، كه با سرعت نور حركت كنند و تمام خواص فيزيكي عمده ي شناخته شده ي ديگر نور را داشته باشند . در واقع ، اين امواج بايد همان چيزي باشند كه در راستاي توضيح همه ي مطالب شناخته شده درباره ي نور ، پيشنهاد شده بودند . وقتي معلوم شد كه جزئيات پيچيده ي نظريه هاي تابناك فرنل بدون هيچ استثنايي در دل معادلات الكترومغناطيسي جديد جاي مي گيرند ، همساني امواج الكترومغناطيسي با امواج نور ، و به اعتبار آن همانندي دو پديده اي كه دانشمندان در راه متمايز كردن آن ها رنج بسياري كشيده بودند ، ديگر اجتناب ناپذير به نظر مي رسيد .
پيش از آن كه اين نظريه پذيرفته شود ، ضرورت ايجاب مي كرد كه امواج الكترومغناطيسي فرضي ماكسول به ياري الكتريسيته در آزمايشگاه توليد شوند . معلوم شد كه اين كار مشكل است ، اما اين اشكال در توليد آن ها چندان نبود كه در پي بردن به اين كه آيا اصولاً توليد شده اند يا خير . با گذشت سال ها عدم موفقيت در آشكارسازي اين امواج ، ابراز ترديد نسبت به اعتبار ايده هاي ماكسول ، از سوي فيزيك دانان آغاز شد . اين ترديد ها مخصوصاً وقتي قوت گرفت كه ايده هاي نامبرده بر شالوده ي شباهت هاي نسبتاً سستي بنا نهاده شدند . اين نكته كه نظريه ي ماكسول بر روي كاغذ تا چه حد جالب است ، اهميت چنداني نداشت ؛ تا امواج الكترومغناطيسي را عملاً در آزمايشگاه آشكارسازي نمي كردند و خواصشان بررسي نمي شد ، در نهايت نمي توانستند آن را چيزي بيشتر از فرضيه اي بدانند كه بسيار جالب و نسبتاً هم مهم است .
ماكسول زنده نماند تا شاهد تأييد تجربي نظريه ي خود باشد . بيش از هفت سال از مرگ او نگذشته بود كه هرتز امواج الكترومغناطيسي را كه او پيش گويي كرده بود آشكارسازي كرد .
جرقه هاي ضعيفي كه از شكاف ساده ي حلقه ي هرتز مي گذشتند فقط نمايانگر اين واقعيت بودند كه آشفتگي هاي الكترومغناطيسي ، عرض آزمايشگاه را طي كرده اند . اثبات موج بودن اين آشفتگي ها پژوهش هاي دقيقي را مي طلبيد . هرتز با جا به جا كردن حلقه ي خود و مشاهده ي چگونگي تغيير شدت جرقه ها ، رفتار اين آشفتگي ها را به دقت مورد بررسي قرار داد . انجام اين كار با وجود جرقه هايي تا آن حد ضعيف كار ساده اي نبود ؛ با همه ي اين ها هرتز با وسايلي بسيار ابتداعي و ناقص ثابت كرد كه اين آشفتگي ها بازتابش ، شكست ، و ساير ويژگي هاي موج گونه را نشان مي دهد ؛ ضمناً طول موج آن ها را نيز اندازه گرفت . اندازه گيري هاي بعدي نشان داد كه آن ها با سرعت نور حركت مي كنند ؛ به اين ترتيب ترديدهاي بيهوده اي را كه نسبت به رفتار آن ها مطابق پيش گويي ماكسول و شباهت بنيانيشان با امواج نوري وجود داشت ، از ميان برداشت . اهميت راستين كار هرتز نه در تلگراف راديويي ، بلكه در اثبات صحت نظريه ي ماكسول بود .
ماكسول زنده نماند تا شاهد تأييد تجربي نظريه ي خود باشد . بيش از هفت سال از مرگ او نگذشته بود كه هرتز امواج الكترومغناطيسي را كه او پيش گويي كرده بود آشكارسازي كرد .
جرقه هاي ضعيفي كه از شكاف ساده ي حلقه ي هرتز مي گذشتند فقط نمايانگر اين واقعيت بودند كه آشفتگي هاي الكترومغناطيسي ، عرض آزمايشگاه را طي كرده اند . اثبات موج بودن اين آشفتگي ها پژوهش هاي دقيقي را مي طلبيد . هرتز با جا به جا كردن حلقه ي خود و مشاهده ي چگونگي تغيير شدت جرقه ها ، رفتار اين آشفتگي ها را به دقت مورد بررسي قرار داد . انجام اين كار با وجود جرقه هايي تا آن حد ضعيف كار ساده اي نبود ؛ با همه ي اين ها هرتز با وسايلي بسيار ابتداعي و ناقص ثابت كرد كه اين آشفتگي ها بازتابش ، شكست ، و ساير ويژگي هاي موج گونه را نشان مي دهد ؛ ضمناً طول موج آن ها را نيز اندازه گرفت . اندازه گيري هاي بعدي نشان داد كه آن ها با سرعت نور حركت مي كنند ؛ به اين ترتيب ترديدهاي بيهوده اي را كه نسبت به رفتار آن ها مطابق پيش گويي ماكسول و شباهت بنيانيشان با امواج نوري وجود داشت ، از ميان برداشت . اهميت راستين كار هرتز نه در تلگراف راديويي ، بلكه در اثبات صحت نظريه ي ماكسول بود .
نظريه ي ماكسول نظريه اي پرمايه بود ، به جاست اين سؤال را مطرح كنيم كه برخلاف آن چه با حواسمان درمي يابيم ، چگونه مي توانيم ادعا كنيم امواج راديويي و نوري مشابهند . تفاوت آن ها در بسامد امواج يا تعداد ارتعاشاتي كه در هر ثانيه انجام مي دهند ، نهفته است . قبلاً در نظريه ي موجي قديمي تر ، و حتي در نظريه ي ذره اي نيوتون ، اين اختلاف بين رنگ هاي گوناگون خود را نشان داده بود . بايد اين نظريه به ساير شكل هاي تابش گسترش مي يافت . همان طور كه مي دانيد امواج نوري كم بسامد به نور قرمز مربوط اند . با افزايش آهنگ ارتعاش ، اين رنگ به نارنجي ، آن گاه زرد ، و سپس به ترتيب رنگ هاي رنگين كمان ، و بنفش تيره تغيير مي كند .
اما چرا در كرانه هاي طيف مرئي متوقف مي شوند ؟ براي دست يابي به تصويري كامل از اين موضوع ، روي داد هاي بعدي را پيش بيني مي كنيم . با زياد و زيادتر شدن بسامد به نور نامرئي ، فرابنفش ، آن گاه پرتوهاي x، و سرانجام پرتوهاي گاماي ناشي از راديوم و مواد ديگر پرتوزا ، و به برخي از عناصر تشكيل دهنده ي پرتوهاي كيهاني مي رسيم . با دنبال كردن بسامد هاي پايين تر از امواج نوري قرمز ، از پرتو هاي فروسرخ ، و پرتوهاي گرمايي مي گذريم و سرانجام به امواج راديويي ماكسول و هرتز مي رسيم . عاقبت دريافتند كه اين گونه هاي متفاوت تابش جملگي يك چيزند و تنها تفاوت آن ها در بسامد ارتعاش است : مي توان گفت اين فقط رنگ آن ها ست كه فرق مي كند و خواص اين ها همه با پديده ي الكتريسيته و مغناطيس ، و با مكانيك نيوتوني ، پيوند سختي يافته بود . همين يگانگي مهم حاصل نظريه ي ماكسول است كه معياري از عظمت آن را به دست مي دهد .
با اين وجود ، هرتز در سال 1887 ، در همان آزمايش هايي كه وجود امواج ماكسول را تأييد كرد ، از روي دادِ شگفتي نيز خبر داده بود . اين روي داد از نظر او چنان كم اهميت بود كه به زحمت به تفسيرش مي ارزيد : وقتي كه نور از جرقه هاي درخشان دستگاه هاي انتقال دهنده ي او به دو سر باز حلقه اش مي تابيد ، جرقه هاي كم سو در آن شكاف با سهولت بيشتري پديد مي آمد.
كوانتوم به تصور مي آيد
در سال 1887 هرتز به اين واقعيت شگفت پي برده بود كه وقتي نور فرابنفش بر دستگاه هاي او مي تابد ، ايجاد جرقه ها نسبتاً آسان تر است .
در سال 1887 هرتز به اين واقعيت شگفت پي برده بود كه وقتي نور فرابنفش بر دستگاه هاي او مي تابد ، ايجاد جرقه ها نسبتاً آسان تر است .
او نمي دانست كه يكي از روشن ترين و بي واسطه ترين شواهدي كه بر وجود كوانتوم دلالت مي كند ، و در حال حاضر هم چنين است ، در همان دريافت او نهفته است . جهان هنوز آمادگي نداشت كه چنين موهبت گران قدري را دريابد و پاس دارد . براي بازشناسي كوانتوم تا پايان قرن انتظار كشيدند ، و با آغاز قرن جديد ، اين بازشناخت از سويي كاملاً متفاوت ميسر شده .
تسليم رسمي كوانتوم به علم فيزيك با چيزي به نام « فاجعه ي بنفش » رابطه دارد . فاجعه ي بنفش به طور خلاصه چنين است : اگر كسي محاسبه كند كه جسمي چگونه پس از گرم شدن برافروخته مي شود ، به فرمولي رياضي دست مي يابد كه حاكي از تمام انرژي است كه مدت ها پيش در روند يك انفجار فاجعه آميز تابش فرابنفش از ماده خارج شده است .
فقدان چنين رويدادي دليل بر رسيدن به نتيجه اي است مبني بر اين كه فرمول نادرست است . با اين همه ، اين نتيجه گيري ها خيلي هم بد نبودند . در واقع در مورد نور كم بسامد نتايج خوبي هم به بار آوردند . در مورد نور پربسامد بود كه اين فرمول به فاجعه ي موهوم پرهياهو و با آوازه اي كشيده شد .
مسير ديگر حمله به مسئله ي جسم تابان ، به فرمول رياضي ديگري انجاميد ، كه به طور موفقيت آميزي از فاجعه ي بنفش دوري مي جست ، و با تجربه ي نور پربسامد سازگاري فوق العاده داشت .
بنا بر اين ، آيا اين فرمول مسئله را حل كرد ؟ به هيچ وجه ، زيرا پي بردند كه فرمول اولي براي بسامد هاي پايين بسيار عالي و براي بسامد هاي بالا غلط است ، در حالي كه فرمول دوم ، كه براي بسامد هاي بالا بهتر از آن وجود نداشت ، در بسامد هاي پايين صدق نمي كند . نيمي از هريك از اين دو فرمول درست بودند .
خلاصه ، هنگامي كه ماكس پلانك ، استاد فيزيك نظري دانشگاه برلين ، سلسله پژوهش هاي تعيين كننده ي خود را آغاز كرد ، چگونگي امر در اين حوزه ي علم بدين منوال بود .
پلانك ابتدا به حدس زني نسبتاً محضي تن درداد . او تأثير راه هاي گوناگون كاربرد نا مطلوب اين دو فرمول ناقص را آزمود تا اين كه در سال 1900 به فرمول رياضي منحصر به فردي برخورد كرد كه براي بسامده هاي پايين ، درست مثل اولي بود و براي بسامد هاي بالا ، كاملاً به دومي شباهت داشت . اين جا واقعاً هيچ گونه استدلال اساسيي لازم نبود . تا حد زيادي يك كار سرهم بندي تجربي و فرصت طلبانه بود ، درست ماند يك دست لباس منحصر به فرد كه شلوار آن را از يكي به وام گرفته باشند و كتش را از كس ديگري . پلانك به كمك بخت مساعد و دقت نظر عالي موفق شد اين شلوار و كت را با هم جور كند ، چنان كه لباس حاصل از آن كت و شلوار جداگانه ارزش بسزايي يافت .
سازگاري اين فرمول جديد ( به نام فرمول تابش ) با آزمايش فوق العاده عالي بود . اما پلانك خود را در وضعيت پسربچه اي مدرسه اي مي يافت كه با مهارت تمام موفق شده است به جواب مسئله ها ، نگاه دزدانه اي بيندازد ، و دريابد كه اين مسئله ها آن طور هم كه خيال مي كرده دشوار نبوده اند . پلانك روي هم رفته ، براي اين كار خود كه همانا يافتن نوعي توجيه نظري براي فرمولي بود كه اين طور ساده طرح كرده بود ، زياد هم از آمادگي دور نبود . پژوهش هاي طولاني و ناتمام ، اين تصور را براي او پيش آورد كه تنها يك چيز جدي مي تواند نويد رهايي از اين بن بست را بدهد . او مسلح به اين ايمان كارساز ، با چنان تمركز ذهني شديدي در زمينه ي اين مسئله به كار پرداخت كه تنها چند هفته اي سپري نشده بود كه پاسخ را يافت ؛ پاسخش چندان بدعت گذارانه بود كه هفده سال پرماجرا و حادثه گذشت تا به ربودن جايزه ي نوبل موفق شد .
توصيف دقيق استدلال پلانك مارا به وادي تجريد رياضي خواهد كشانيد ، اما شايد بتوان چيزي از روح اين كار او را به كمك روايتي نسبتاً ساده نقل كرد ، روايتي كه هرچند بيان مو به موي برهان او نيست اما دست كم از دقتي ماهرانه برخوردار است و تا حدودي كيفيت و ويژگي كلي آن را ، هم چون يك تمثيل ، در خود دارد . اگر هم اين داستان با دقتي وسواس آميز بازگو شود ، خيلي هم كسل كننده نخواهد بود .
با يك كلك رياضي ، كه يونانيان مبتكر آن بودند ، يك رشته تضاريست هاي كوچك را كه از لحاظ رياضي قابل محاسبه تر اند ، به جاي منحني هاي هموار قرار مي دهند . اين كلك بنيان حساب ديفرانسيل و انتگرال است ، كه در جنبه هاي كلي خود كار ساده اي است . مثلاً اگر بخواهيم طول محيط دايره اي را به قطر يك اينچ محاسبه ( ونه اندازه گيري ) كنيم ، در مي يابيم كه محاسبه ي اين محيط هميشه هم از لحاظ رياضي مناسب نيست . ما كار خود را با محاسبه ي چيزي آغاز مي كنيم كه زمينه ي ذهني استواري را فراهم كند .
از اين رو ، در مورد محيط نام برده ، دايره را با گذاردن چهار ، هشت ، يا شانزده و ... نشانه ، به اجزاي مساوي تقسيم و آن ها را با خطوطي راست ، به هم وصل مي كنيم . در مورد هريك از اين چند ضلعي هاي منظم مي توانيم كل پيرامون را محاسبه كنيم ، و آشكار است كه اين اضلاع هرچه كوچك تر باشند ، جمع كل طول آن ها به محيط دايره نزديك تر خواهد بود . مثلاً ، مجموع كل پيرامون يك شانزده ضلعي از مجموع اضلاع مربع به محيط اين دايره نزديك تر است . آن چه رياضي دان انجام مي دهد ، محاسبه ي پيرامون شكلي است كه شمار اضلاع آن را تعداد زيادي مي گيرد . از اين رو پس ازآن كه او اين محاسبه ي كلي را انجام مي دهد ، ناگهان ضمن آن كه افزايش بدون محدوديت اين اضلاع را در فرمولش مجاز مي دارد ، اين پيچ و تاب ها را هموار مي كند . در اين روش تا مادامي كه فرمول كلي به دست آيد ، به آن همواري رام نشدني اجازه ي دخالت در جزئيات محاسبه داده نمي شود . در ضمن ، محيط دايره اي با قطر واحد را با حرف يوناني نشان مي دهند ، و اين عددي است كه به طور ناگهاني در نظريه ي كوانتوم رخ مي نمايد . تقريباً 14/3 است اما اگر بخواهيم مقدار دقيق آن را بنويسيم ، شديداً اعتراض مي كند و همانند سواره نظامي بسيار ورزيده ، فراتر از تحمل و شكيبايي انسان ره مي سپرد و رفتارش چنان است كه بي آن كه سايه اي از خود برجاي بگذارد ، تا جاودانگي پيش مي رود
= 3.14159265358979323846264338327950…
بار ديگر يه پلانك بازگرديم . او حتي پيش از سال 1900 نشان داده بود كه در راستاي اهداف خاصش مي توتند توده اي ماده را از طريق ذرات بي شماري كه با رفتاري موزون به بالا و پايين موج بر مي دارد ، نمايش دهد . برخي از آن ها به سرعت موج مي زدند و پاره اي آهسته تر . تمام بسامد هاي نوسان گنجانده مي شدند . پلانك اين ها را كه كار ساده اي انجام مي دادند نوسانگر ناميد ، كه انرژي گرمايي و نوراني را از طريق نوسان شديد جذب مي كردند و مجدداً با فراهم آوردن امكان فرونشست شديد و ناگهاني ، اين انرژي را پس مي راند . رفتارشان كاملاً به تاب خوردن كودكان ، كه كسي آن ها را با نوسان دم افزايي هل بدهد ، شبيه بود ؛ مي توانستند انرژي را چنان در خود نگه دارند كه اسفنج ، آب را .
توده ي ماده ، از طريق گرم شدن انرژي جذب مي كند . پلانك ، با به كارگرفتن مدل ساده ي خود ، محاسبه كرد كه ماده چگونه گرما و نور را در هر دمايي نگه مي دارد آن گاه پس مي دهد . از آن جا كه او به تغييرات آرام مقدار انرژي جذب شده و گسيل شده مي پرداخت ، براي توصيف اين تغيير تدبيري انديشيد كه بر پايه ي آن ، تغييرات آرام جاي خود را به تغييرات تضاريستي مي سپرد كه او مي توانست آن ها را محاسبه كند . او براي تكميل كردن اين محاسبات ، همان طور كه انتظار داشت ، دريافت اگر تضاريست هاي انرژي را به روش متداول هموار كند ، مستقيماً به فاجعه ي بنفش باز مي گردد . او از پيش جواب مسئله را مي دانست . پلانك از همان آغاز آماده بود كه هر فرصت معقولي را براي دريافت پاسخ درست ، غنيمت بشمارد ، حتي اگر به ازاي اين پاسخ درست اندكي خطا در محاسباتش راه يابد ، و در اين جا در خلال محاسبات خود به فرصتي در جست و جويش برخورد مي كرد كه فرصتي عالي اما نوميد كننده بود ؛ چرا كه اين فرصت مستلزم خطاي بسيار زيادي بود . اگر مي توانست خود را تا آن جا بكشاند كه با افكار هموار شدن تضاريست هاي انرژي با يكي از مقدس ترين سنت هاي فيزيك نظري درافتد ، مي توانست روشي را بيابد كه او را به پاسخي موافق با آزمايش برساند .
اما چنين ايده اي سرشار از خيال پردازي بود ؛ درست مثل اين كه كسي بگويد يك تاب مي تواند با دامنه اي يك متري ، يا دومتري ، يا سه متري ، يا چهارمتري ، و الي آخر ، نوسان كند ، اما نه با دامنه هايي مثلاً يك و يك چهارم متري ، يا مقدار ديگري بين اين اعداد . حتي كودكان نيز مي توانستند به خيالي بودن اين ايده پي ببرند . اما اين ايده به پاسخي صحيح انجاميد ...
اگر پلانك به هر چيزي امكان هموارشدن مي داد ، بسامد هاي بالا عملاً تمام انرژي خود را مي بلعيدند و فاجعه پيش مي آمد . او مي بايست به نحوي از اين فاجعه پيش گيري كند . رها كردن تضاريس انرژي به خودي خود مسئله را حل نمي كرد ، اما فرصتي به دست مي داد تا تمييز گذاريي را كه تحت قوانين كلاسيك غير قانوني بود ، عليه بسامد هاي بالا بيازمايند . چرا كه اگر پلانك مقرر مي داشت انرژي بايد در پيمانه هاي منظم رها شود ، پس مي توانست گامي به پيش بردارد و بسامد هاي بالاي متمرد را با صدور حكمي به مجازات برساند تا آن ها در پيمانه هايي گردآيند كه از بسامد هاي پايين خيلي بزرگ تر باشند . بنابر اين يك بسامد پايين مي توانست به سهولت مقدار كمي انرژي را كه براي پيمانه اش نياز داشت ، بيابد . اما احتمال بسيار اندكي وجود داشت كه يك بسامد بالا سهميه اي را كه تعهد كرده بود بيندوزد .
پلانك با سود جستن از يك كلمه ي مناسب ، كه از پيش حتي در نوشتارهاي علمي و در حوزه هاي ديگر عملاً شناخته شده بود ، اين پيمانه يا سهميه را كوانتوم انرژي ناميد .
پلانك براي اين كه جواب درستي دريافت دارد ، فهميد كه بايد كوانتوم انرژي را براي هر بسامد ويژه ، مطابق با قاعده ي معيني – و از لحاظ رياضي ، قاعده اي بسيار ساده كه ممكن است از نظر فيزيكي مشكل باشد – جا بيندازد . او با وارد كردن كميت ويژه اي با نماد h ، اين فرمول مشهور و از ديدگاه اتمي انفجار آميز را بيان كرد : h بسامد =كوانتوم انرژي
كميت بنيادي h را كه پلانك عرضه كرد ، امروزه ثابت پلانك مي نامند و پرچم مباهات فيزيك جديد و نمد اصلي مبارزه طلبي عليه آن نظام كهن است . از زمان ارائه ي اين كميت به بعد ، رويدادهاي بزرگي اتفاق افتاده اند ، اما با همه ي اين ها مشكل بود كه آدمي يكي را از آن ميان بزرگ بنامد . مقدار اين كميت فقط عبارت بود از : 0,000,000,000,000,000,000,000,000,006,6…
معني كوچك بودن فوق العاده ي h اين است كه تضاريست هاي انرژي خيلي ضعيف اند . پلانك به هيچ وجه خشنود نبود . با وحشتي افزاينده كه از نگراني براي موقعيتش برمي خاست ،مي دانست كه ناچاربوده فرض تضاريس خود را در مرحله ي محاسباتش نقض كند . عجيب نيست كه او سال ها براي اصلاح نظريه ي خود تلاش كرده باشد ، تا ببيند كه آيا مي تواند بدون قرباني كردن جواب ، اين تضاريس ها را همواركند .
اما همه چيز بر وفق مراد نبود . اين تضاريس ها وجود داشتند . انرژي به شكل پيمانه جذب مي شد . كوانتوم هاي انرژي يكي از حقايق بنيادي طبيعت بودند ، و افتخار جاويدان آن ها نصيب ماكس پلانك شده بود .
پرده بالا مي رود
چهارسال از زندگي لرزان و مردد ايده ي پلانك مي گذشت ، و در اين مدت پدر تقريباً فرزند خود را ترك گفته بود ؛ تا اين كه در سال 1905 منشي اداره ي ثبت اختراعات سوئيس در برلن مطالبي خطير و گستاخانه ابراز داشت كه باعث شد ابداع در حال نزع پلانك زندگي از سر گيرد و توانا و مطمئن ، در سال 1913 ، در مسير برخورد محتومش با بور قرارگيرد .
پرده بالا مي رود
چهارسال از زندگي لرزان و مردد ايده ي پلانك مي گذشت ، و در اين مدت پدر تقريباً فرزند خود را ترك گفته بود ؛ تا اين كه در سال 1905 منشي اداره ي ثبت اختراعات سوئيس در برلن مطالبي خطير و گستاخانه ابراز داشت كه باعث شد ابداع در حال نزع پلانك زندگي از سر گيرد و توانا و مطمئن ، در سال 1913 ، در مسير برخورد محتومش با بور قرارگيرد .
چندي پيش از آن ، همين منشي اداره ي ثبت تبيين نظري كاملي از حركت معروف براوني ارائه داده بود . ، و تقريباً چهار ماه پس از ارائه ي كار تابناكش كه احياء كشف پلانك باشد ، نظريه ي نويني در ارتباط با الكتروديناميك اجسام متحرك ، كه اكنون آن را نظريه ي نسبيت خاص مي ناميم ، اعلام كرد . نام اين شخص آلبرت اينشتين بود . ايده هاي او چندان نومايه و شگفت انگيز بودند كه چهارسال طول كشيد تا براي پيوستن به هيئت علمي دانشگاه زوريخ از پناهگاه موقتش در اداره ي ثبت اختراعات فرا خوانده شود .
از نظر اينشتين ايده ي پلانك حتي از آن كه خود پلانك جسارت ورزيده و به تصور آورده بود ، انقلابي تر بود . بنابر نظرپلانك ، انرژي تنها به شكل بسته هايي وارد ماده مي شود ؛ و بيرون از ماده ، همان جا كه به شكل تابش در مي آيد ، بايد از قوانيني كه ماكسول بنياد نهاد پيروي كند . اما اينشتين نشان داد كه اين دو ايده معادل يكديگر نيستند ، و در جاي ديگر نشان داد كه اگر تابش نيز از بسته هايي تشكيل يافته باشد ، اين توازن وجود خواهد داشت .
تأثير كلي اين محاسبات چه بود ؟ اگر چيزي هم بود آيا براي پلانك زياني به بار نمي آورد ؟ آيا به اين معني نبود كه پلانك تازه به دوران رسيده با اصول پا بر جاي ماكسول به منازعه برخاسته است ؟ اين كار جسارت و بينش ژرف اينشتين جوان را طلب مي كرد كه فرياد سر دهد آن كه با پلانك سر ستيز دارد ، كسي جز ماكسول نيست .
آن جا پلانك ادعا مي كرد ماده انرژي را فقط به صورت بسته جذب يا گسيل مي كند ، اكنون اينشتين با گريز از موضوع ، اصرارمي كرد كه كوانتوم انرژي ، به جاي آن كه صرفاً رفتاري شبيه يك موج داشته باشد تا در معادلات ماكسول صدق كند ، بايد به نحوي شبيه يك ذره ، يك ذره ي نور ، كه ما آن را فوتون مي ناميم، رفتار كند .
اين طرحي انقلابي بود . اما اينشتين برگ هاي برنده اي در دست داشت ، كه قاطع تر از همه ي آن ها پديده اي بود كه هرتز در حدود بيست سال پيش متوجه آن شده بود .
از آن زمان به بعد مطالب فراواني درباره ي اين پديده گفته بودند . تامسون در انگلستان الكترون را كشف كرده بود ، ولنارد كه در آلمان زير نظر هرتز كار كرده بود ، با نشان دادن اين كه نور فرابنفش مي تواند الكترون ها را از سطوح فلزي تبخير كند ، مانند پرتو خورشيد كه آب سطح اقيانوس را بخار كند ، ساز و كار پديده ي هرتز را پي گيري كرده بود . و همين تبخير ، كه اكنون اثر فوتو الكتريك ناميده مي شود ، بود كه باعث مي شد جرقه ها آزادانه تر به حلقه ي هرتز وارد شوند .
اين طرحي انقلابي بود . اما اينشتين برگ هاي برنده اي در دست داشت ، كه قاطع تر از همه ي آن ها پديده اي بود كه هرتز در حدود بيست سال پيش متوجه آن شده بود .
از آن زمان به بعد مطالب فراواني درباره ي اين پديده گفته بودند . تامسون در انگلستان الكترون را كشف كرده بود ، ولنارد كه در آلمان زير نظر هرتز كار كرده بود ، با نشان دادن اين كه نور فرابنفش مي تواند الكترون ها را از سطوح فلزي تبخير كند ، مانند پرتو خورشيد كه آب سطح اقيانوس را بخار كند ، ساز و كار پديده ي هرتز را پي گيري كرده بود . و همين تبخير ، كه اكنون اثر فوتو الكتريك ناميده مي شود ، بود كه باعث مي شد جرقه ها آزادانه تر به حلقه ي هرتز وارد شوند .
اينشتين از تضاريس انرژي پلانك به ايده ي تكان دهنده ي اتمي بودن آن رسيد. اسفنجي را در يك نقطه در يك وان حمام در نظر بگيريد، مي توانيم آن را به توده اي از ماده ي تابان و آب حمام را به اتر تشبيه كنيم. بنا بر نظريه ي ماكسول، هنگامي كه اين اسفنج فشرده شود مطابق معمول آب خود را بيرون داده و امواجي در وان پديد مي آورد. اسفنج پلانك از نوعي بسيار نادر است. در واقع بيشتر شبيه خوشه اي انگور است تا يك اسفنج، خوشه شامل هزاران باد كنك كوچك با اندازه هاي گوناگون، و هر يك از آن ها پر از آب. وقتي اين اسفنج فشرده شود، باد كنك ها يكي پس از ديگري مي تركند. هر كدام در تك انفجاري سريع، محتويات خود را، به شكل مقداري آب به بيرون پرتاب، و امواجي از نوع ماكسول ايجاد مي كند. اما، اينشتين اسفنج را از وان بيرون كشيد. آب درون آن بكار نمي آمد. وقتي اسفنج خود را به آرامي فشرد، آب مانند قطره هاي باران به طور نامنظمي از آن فرو ريخت. تضاريس نه تنها از سازو كار دروني اسفنج ناشي مي شد، بلكه در ماهيت خود آب نيز نهفته بود چراكه آب حتي پس از آن كه از اسفنج بيرون آمده بود، به شكل قطرات باقي مي ماند.
تصور اينشتين بسيار شگفت بود. اين تصور از هر لحاظ به معني بازگشت به نظريه ي ذره اي قديمي نيوتون بود. حتي تپش هاي نيوتوني، با ايفاي نقشي اساسي در اين تصور حضور داشتند. زيرا آهنگ همين تپش ها در نظريه ي ذره اي به مثابه ي بسامد نور بود، و بسامد در اين جا بايد نقشي دوگانه باز مي كرد. نتنها بايد رنگ فوتون را تميز پذير كنند، بلكه بنا بر قاعده ي پلانك، بايد انرژي آن را نيز تعيين كنند.
اما چه كسي بود كه بتواند چنين نظريه ي خيال پردازانه اي را باور كند؟ آيا نظريه ي ذره اي را، يك صد سال پيش، با دلايلي بسيار قاطع، از ميان نرانده بودند، و آيا نظريه ي موجي از طريق دو خط پژوهشي مستقل وارد صحنه نشده بود ؟ نظريه ي ذره اي چگونه توانست اين اميد را در دل باور كند كه از پيروز هاي بي چون و چراي نظريه ي موجي براي خود نسخه اي بدلي بسازد. وانگهي، اين منشي اداره ثبت اختراعات چه كسي بود؟ او حتي استاد دانشگاه هم نبود. باز گشت به چيزي شبيه به نظريه ي ذره اي بايد در حكم پذيرش اين مطلب باشد كه نظريه ي قانع كننده و كاملاً تأييد شده ي پديده هاي الكترومقناطيسي از پايه نادرست است. با همه ي اين ها اينشتين در واقع نه خوش دلانه و ابهام آميز، بلكه دقيقاً و به طور كلي، در پي انديشه هاي ژرف واستدلالي توانا، چنين طرحي را پيشنهاد كرد.
اما آيا اين پيشنهاد تا آن حد هم جدي بود ؟ در حقيقت نظريه موجي در دو مكان متفاوت مستقل از يك ديگر، به ظهور رسيده بود، اما اكنون كار اينيشتين صرفا ارائه ي معياري هم ارز براي اين دو بيان مختلف از يك نظريه بود. به مدتي بيش از يك قرن همه ي آزمايش ها نظريه ي ذره اي را انكار كرده بودند. اما آيا رويداد هايي مانند فاجعه ي بنفش دسته كم نشان نداده بودند كه نظريه ي ماكسول نيز با دردسر مواجه شده است ؟ روي هم رفته، حتي در آغاز كار، در واقع اين جنگ خيلي هم نا برابر نبود.
اولين بار پلانك اين منازعه را به راه انداخته بود. اينشتين در مدت كوتاهي چيز هاي پردردسري براي نظريه ي موجي به وجود آورد. اينشتين و شارگردانش در تأييد ديدگاه جديد نور بارها به پيشرفت هاي مهمي نايل آمدند؛ اما آن چه كه برتر از همه باقي ماند توضيحي بود كه اينشتين براي اثر فوتو الكتريك ارائه داد.
در ابتداي امر ، در خصوص اثر فوتو الكتريك چيز خارق العاده و تقريباً معجزه آسايي وجود دارد . با وجود اين حتي از ديدگاه نظريه ي ماكسول طبيعي است كه نور بايد بر الكترون ها نيرو وارد آورد ، زيرا ماكسول نشان داد نور الكترومغناطيسي است ، و يك موج الكترومغناطيسي مسلماً بر ذره اي ذاتاً الكتريكي مانند الكترون ، تأثير مي گذارد . بنابر اين هيچ چيز شگفت انگيزي درباره ي صِرف وجود اثر فوتوالكتريك وجود نداشت . چيزي كه نظريه ي موجي را پريشان كرد اين موضوع نبود . شگفتي وقتي رخ نمود كه از سرعت الكترون هايي كه از فلز جدا مي شدند اندازه گيري هاي دقيقي به عمل آمد . اگر مي شد به نظريه ي ماكسول اتكا كرد ، بايد به ازاي افزايش شدت ، يا مقدار نور ، سرعت الكترون ها نيز افزايش مي يافت . اما آزمايشگران چيز ديگري يافتند . سرعت به همان مقدار قبلي باقي مي ماند . آن چه افزايش مي يافت شمار الكترون ها بود . اين آزمايش كننده ها دريافتند كه براي افزايش سرعت بايد بسامد نور افزوده شود و نه شدت آن .
در اين جا بين آزمايش و نظريه اختلافي پيش آمد ، كه با وجود آن كه اهميت چنداني نداشت ، اما همان قدر جدي بود كه فاجعه ي بنفش نظريه ي ماكسول در برابر توضيح حقايق ناتوان بود . ببينيم اينشتين چگونه هر چيزي را به ياري فوتون خود توضيح مي داد .
اينشتين آزمايش فوتوالكتريك را مانند نوعي سالن تيراندازي در نظر گرفت ، كه در آن فوتون ها را به مثابه گلوله مي گرفت و بيرون ريختن الكترون ها را مانند توپ هاي پينگ پنگي مي پنداشت كه با سرگرداني روي فواره هاي آب زير و رو مي شوند . به منظور افزودن شدت نور فرابنفش فقط لازم است تعداد فوتون هايي كه در هر ثانيه پرتاب مي شوند افزايش يابد . اين روند حتماً بايد در هر ثانيه به برخورد الكترون هاي بيشتري با فلز بيانجامد ؛ و دقيقاً همان چيزي است كه مشاهده كننده ها مشاهده كردند .
اثر بسامد با ظرافت تمام توضيح داده شد .زيرا بنابر قاعده ي پلانك ، بالارفتن بسامد نور به معني افزايش انرژي هر فوتون است . مانند اين كه از گلوله هاي سنگين تر استفاده كنند . بنابر اين ، هرچه بسامد بيش تر باشد ، الكترون تكان بيشتري مي خورد ، و هرچه تكان الكترون بيشتر باشد سرعت آن افزون تر است . اين را نيز آزمايشگران مشاهده كرده بودند .
وقتي اينشتين توضيح خود را درباره ي اثر فوتوالكتريك ارائه كرد ، درواقع هيچ اندازه گيري دقيقي از اندازه ي سرعت الكترون ها به ازاي تغيير بسامد نور ، انجام نگرفته بود . او در سال 1906 بر مبناي نظريه ي فوتون اين نظريه را پيش گويي كرد ، و رياضياتي كه براي فهم آن ضرورت داشت چندان ساده بود كه هر دانش آموز دبيرستاني آن را مي فهميد . آزمايش هاي بعدي كه در سال 1915 در امريكا به پژوهش هاي كلاسيك ميليكان منجر شدند ، فرمول اينشتين را با چنان دقت و كمالي به اثبات رساندند كه در زمينه ي تأييد يك نظريه ي علمي ، فقط تأييد نظريه ي موجي ماكسول به وسيله ي هرتز با آن قابل مقايسه است ! ماجراي جالب اين است كه همين اينشتين بود كه نظريه ي گرانش نيوتون را به اعتبار نظريه ي نسبيت عام خود ويران كرد ، بله هم او بود كه با نظريه ي فوتون هاي خود در احياي نظريه ي نور نيوتون نقشي چنين مهم ايفا كرد .